Эволюция океанических моделей

Конор Перселл • 19 марта 2018

Сегодня все движется вперед.

Модернизаторы океана гораздо ближе к моделированию точных представлений о реальном океане, и за последние несколько десятилетий их модели стали невероятно реалистичными, с приложениями, начиная от прогнозирования погоды и волн, до исследований климата и палеоклимата, и не в последнюю очередь - для поиска недостающих самолет.

В ГЕОМАР Гельмгольцском центре исследований океана Киль, Германия, д-р Джонатан Дургаду работает с океаническими моделями уже почти 10 лет. За это время он стал свидетелем тенденции к повышению реализма в моделях, которые он использует.

«Реалистично мы подразумеваем способность моделей моделировать процессы в океане, которые наблюдаются и известны, - говорит он. «По мере того как компьютеры становятся быстрее, могут быть включены более океанические процессы, происходящие в разных масштабах. И поскольку мы все больше понимаем океанские процессы, мы можем придумать, как их включить в наши модели ».

В частности, в последние годы модели океана стали более реалистичными из-за их способности разрешать завихрения. Эдди - мезомасштабные завихряющиеся черты, вызванные турбулентностью в океане. За последнее десятилетие или около того, поскольку вычислительная мощность и хранилище данных увеличились экспоненциально, стали широко распространены вихревые разрешающие модели океана.

Дургадо объясняет, что при моделировании океана размер имеет значение. «Океанографы обычно говорят о масштабах в пространстве и времени», - говорит он. «Пространственно, процессы в океане происходят в масштабах от миллиметров до тысяч километров и временно до нескольких столетий».

Слово мезомасштабное относится к структурам порядка десятков до сотен миль. Эти структуры, в том числе вихри, играют много разных функций в океане. Например, вихри захватывают водные массы в определенных местах и ​​переносят их в другую, а также могут задерживать богатую питательными веществами воду, которая локально способствует биологической активности. Поэтому, чтобы модели океана достигли реализма в этих масштабах, необходимо представить вихри и другие структуры.

«Это не означает, что модели, которые не имитируют эти структуры, бесполезны», добавляет Дургадо. «Надо понимать и ценить полезность моделей в своих пределах».

Проблема с разрешением модели

Моделирование глобального океана по своей сути затруднено. На протяжении всей истории разработки модели океана, начиная с самых ранних моделей, используя самые базовые вычислительные продукты по современным стандартам, до современных современных гигантов «миллион линий», исследователи изо всех сил пытались решить проблемы например, географическая шкала, на которой работает модель, - где меньше разрешение вашей сетки, тем лучше ваше представление о океане.

По словам профессора Сергея Данилова, который работает над разработкой океанской модели в Отделе динамики климата Института Альфреда Вегенера, Бремерхафен, Германия, главная задача всегда заключалась в том, чтобы модели воспроизводили характеристики и циркуляцию воды, которые мы наблюдаем в реальном океан.

«Движения в небольших пространственных и временных масштабах невозможно смоделировать и, следовательно, параметризовать», - говорит он. «Это создает ошибки, которые могут накапливаться с течением времени. Таким образом, модельеры пытаются уменьшить их, увеличивая разрешение, улучшая точность параметризации или улучшая числовые алгоритмы ».

Это мнение отражено в книге бывшего океанографа Массачусетского технологического института Карла Вунша «Современная наблюдательная физическая океанография», где автор объясняет, что ни одна модель не имеет идеального разрешения. Это означает, что некоторые процессы всегда опускаются - препятствие, с которым природа не сталкивается. «Пользователь должен определить, важно ли пропускание этих процессов», пишет Wunsch. «Даже если бы можно было точно численно представлять принятые уравнения, ошибки всегда существуют в компьютерных кодах».

Поиск MH370

Тем не менее, ученые, специализирующиеся на разработке моделей океана, добились огромных успехов в их стремлении к совершенству. Когда в июле 2015 года на острове Ла Реюньон в Индийском океане появился флаперон (часть плоского крыла) из-за пропавших малайзийских авиалиний, самолет MH370 появился у г-жи Дургадо и его коллег блестящей идеей. Используя свою современную океанскую модель, они рассуждали о том, что можно было бы помочь выяснить, где упал самолет.

«Сам факт, что мусор, принадлежащий MH370, был найден на пляжах Индийского океана, предположил, что они летают месяцами на поверхности океана», - говорит он. «Теоретически, учитывая правильную информацию, траектории могут быть смоделированы в надежде найти возможную начальную позицию флаперона и, следовательно, пролить свет на местоположение погибшего самолета».

И это именно то, что они сделали. Используя свою модель и отслеживая следы мусора с помощью метода, называемого лагранжевым анализом, исследователи смогли оценить местоположение самолета. Дургадо описал этот процесс в статье 2016 года. «Идея заключалась в том, что мы могли бы использовать модель океана для отслеживания вспышки назад во времени, чтобы установить местонахождение самолета. Но океан - хаотическое место; нет смысла имитировать путь одного «виртуального флаперона» назад во времени. Поэтому стратегия «сила в цифрах» - это то, что мы использовали, когда мы разместили около пяти миллионов виртуальных модельных флаперонов вокруг острова Ла Реюньон в течение модельного месяца июля 2015 года ».

И их результаты были замечательными. Согласно Durgadoo, «хотя невозможно точно определить точное местоположение, мы обнаружили, что происхождение флаперона, вероятно, будет на западе, а не на юго-западе Австралии. Что еще более важно, исходя из нашего анализа, вероятность того, что флаперон начал свое путешествие из области приоритетного поиска, составляет менее 1,3 процента ».

Команда использовала свою модель, чтобы сделать вывод о том, что поисковые усилия в приоритетной зоне вряд ли достигнут успеха в поиске самолета. Действительно, когда самолет все еще отсутствует сегодня, судьба полета MH370 остается загадкой.

[Примечание редактора: с момента написания автором поиск MH370 возобновился]

Модельные двигатели

Для того, чтобы океанские модели достигли такого уровня сложности сегодня, технологии, способствующие их развитию, должны были быть широкими; от наблюдательных подразделений, развернутых в море для получения точных данных, до современных суперкомпьютеров, используемых для будущих прогнозов.

«Разработки на стороне компьютерного оборудования позволяют использовать больше ресурсов, - говорит профессор Данилов, - что означает, что мы можем явно разрешать процессы, которые были ранее параметризованы. Существует надежда, что новые вычислительные технологии с использованием графических процессоров - Графические модули обработки - приведут к увеличению пропускной способности модели ».

«С физической стороны, - добавляет он, - новые данные становятся доступными с помощью современных технологий, помогая лучше настраивать или ограничивать параметризации, используемые в моделях. Спутниковая альтиметрия и поплавки Арго имеют особое значение ».

Но Данилов указывает, что в настоящее время основным движущим фактором является прогресс в вычислительной мощности. Запуск глобальных моделей с высоким разрешением - размером примерно в один километр - уже возможен, что означает, что процессы до этого уровня решаются.

«Модели, которые разрешают мезомасштабные движения, станут реальностью в обозримом будущем», - говорит он. «Но такие модели работают по-прежнему слишком дорого, потому что они занимают много времени для запуска и создания большого количества данных. Таким образом, следует провести различие между тем, что возможно в принципе, и тем, что можно использовать в качестве инструмента исследования ».

На самом деле он полагает, что будущее моделирования океана может следовать по тому же пути, что и прогнозирование погоды, где выполняются ансамбли модельных прогонов, чтобы получить представление о нескольких потенциальных будущих состояниях океана - не только одном.

«Проблема в том, - говорит он, - что даже при идеальных исходных данных существует горизонт предсказуемости, потому что через некоторое время прогнозирование становится более сложным. У океана сложная внутренняя динамика - хаотичная - и поэтому численно моделируемый океан будет расходиться с наблюдениями с течением времени ».

«Лучшее число и параметризация улучшат предсказанное среднее состояние и изменчивость океана», - говорит он. «Но общие вычислительные усилия довольно большие».

«Таким образом, наша способность имитировать океан улучшится, но постепенно».

(Как опубликовано в выпуске журнала Marine Technology Reporter от Mach 2018)