NSO8055 Okeanograafiline prognoos Jüri Elken elken@phys.sea.ee

1. NSO8055 Okeanograafiline prognoos Jüri Elken elken@phys.sea.ee • Mereprognooside mudeli HIROMB ülevaade • konsortsium, ajaloost • mudelsüsteemi komponendid, arvutuste ajaline järgnevus • arvutusvõrgud • paralleelarvutused • mõned valideerimised • mereprognoosid Eestis • http://www.environment.fi/syke/hiromb Vaata ka võrrandite ja modelleerimise materjale: http://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes07.pdf http://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes08.pdf http://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes15.pdf http://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes17.pdf

2. HIROMB konsortsium HIROMB (High-Resolution Operational Model for the Baltic Sea) Läänemere operatiivne prognoosimudelite süsteem moodustatud HELCOM naftareostuse prognoosi soovituse 12/6 täitmiseks kaasajal ülesanded palju laiemad konsortsiumilepingu alusel osalevad: Rootsi Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituut (SMHI) 1995 Saksa Meresõidu ja Hüdrograafia Liiduamet (BSH) 1995 Taani Kuninglik Meresõidu ja Hüdrograafia Administratsioon (RDANH) 1998 Soome Keskkonnainstituut (SYKE) 2003 TTÜ Meresüsteemide Instituut (MSI) 2005 Läti Keskkonna-, Geoloogia ja Meteoroloogia Agentuur (LEGMA) 2007 Venemaa Riiklik Hüdrometeoroloogia Ülikool (RSHU) 2007 Gdanski Merendusinstituut Soome Meteoroloogiainstituut Taani Meteoroloogiainstituut

3. HIROMB konsortsiumilepingust

4. HIROMB mudelkoodi areng Põhineb Hamburgis (BSH) 1990-1995 arendatud süsteemile, tugineb nn Backhausi mudelile Praeguseks on arenenud 3 erinevat versiooni BSH, SMHI ja DMI (Taani Meteoroloogia Instituut) erinevused: numbriline algoritm (sh paralleelarvutused) välismõjude arvestamine (tuulepinge, soojusvood) turbulentsi ja jää moodulid katsetatakse ka hübriidseid vertikaalkoordinaate Kavandatud on eri versioonide võimekuse mahukas võrdlus, mille järel eri versioonide paremad komponendid liidetakse ning jäetakse käiku üks versioon; samal ajal arendustööd jätkuvad projekt MyOcean annab ühildatud mudeli HIROMB-BOOS V1

5. HIROMB mudelsüsteemi komponendid • 3D barokliinne hüdrodünaamika mudel: • horisontaalsed liikumishulga võrrandid ning advektsiooni-difusioonivõrrandid temperatuuri ja soolsuse jaoks • diskretiseeritud horisontaalis Arakawa C-võrgul (nn “staggered grid”) sfäärilistes geograafilistes koordinaatides • diskretiseeritudvertikaalis fikseeritud kihtide järgi • horisontaalis ilmutatud ja vertikaalis ilmutamata skeem • veetaseme ja vertikaalis keskmiste horisontaalkiiruste jaoks “mode splitting” (barotroopne mood arvutatakse eraldi barokliinsest moodist) tehnika • vertikaalne liikumishulga võrrand hüdrostaatiline • rajatingimused merepinnal: tuul, õhurõhk, soojusvood, sademed ja aurumine • jõgede suudmes: magevee juurdevool • avatud radadel: suurema võrgusammuga mudelist veetase, hoovuskiirused, temperatuur, soolsus

6. HIROMB mudelsüsteemi komponendid (2) turbulentsi κ-ω mudel (alates 15.11.2005); võrreldes varem kasutatud turbulentsi mudeliga on stratifikatsiooni prognoos paranenud, horisontaalne turbulents arvestatakse Smagorinsky valemiga integreeritud hüdrodünaamika mudelisse jää dünaamika ja termodünaamika mudel; rüsijää triiv ja deformatsioon Hibleri põhimõtte järgi; ühildatud hüdrodünaamika mudeliga lainetuse mudel; Rootsis SWAN, Taanis ja Saksamaal WAM eraldiseisev mudel, ühildamine hüdrodünaamika mudeliga lõpetamata

7. Näide liikumishulga võrranditest sfäärilistes koordinaatides Wilhelmsson, 2002

8. Cmod-is kasutatav diskretiseerimine NB! Kuna vertikaalkoordinaat on suunatud alla, on paremakäelise kolmiku jaoks y-koordinaat suunatud lõunasse (mitte põhja nagu tavaliselt) Wilhelmsson, 2002

9. HIROMB arvutuste ajaline järgnevus Wilhelmsson, 2002

10. HIROMB arvutuste ajaline järgnevus Wilhelmsson, 2002 Programmi kood FORTRAN / C: SMHI mudel v3.0: 162 “füüsika” algfaili 8+32+16 paralleelarvutuse faili + ParMETIS teek 55+15 GRIB töötlemise faili 15 algandmete faili jne + automaatselt sisseloetavad välismõjude failid

11. HIROMB mudelsüsteemi arvutusvõrgud Wilhelmsson, 2002

12. HIROMB versioon NB03 võrgusamm 3 miili väljundfaili maht 2 854 680B 16 vertikaalnivood 4, 8, 12,18, 24, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 110, 130, 160, 190, 230 m Kuni 2009, edaspidi on vertikaalsed sammud väiksemad

13. HIROMB versioon BS01 võrgusamm 1 miil väljundfaili maht 21 019 650 B 16 vertikaalnivood 4, 8, 12,18, 24, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 110, 130, 160, 190, 230 m Kuni 2009, edaspidi on vertikaalsed sammud väiksemad

14. HIROMB arvutuste ajakulu SMHI-s (2000) Wilhelmsson, 2002

15. Näide optimiseeritud paralleelsetest arvutuspiirkondadest Wilhelmsson, 2002 NB! Vajalik tõsine koostöö okeanograafia, numbrilise modelleerimise ja IT vahel

16. Hoovuste valideerimine Taani väinades Väiksem võrgusamm ei taga alati paremat tulemust Prognoositud hoovused liiga väikesed RDANH

17. Soolsuse valideerimine Taani väinades DMI

18. Hoovuste valideerimine Gdanski lähedal MIG

19. Hoovuste valideerimine Hanö lahes Prognoositud hoovused üldiselt liiga väikesed, kuid tugevamad hoovused võivad minna liiga suureks SMHI

20. Meretaseme valideerimine Tallinnas MSI

21. Prognooside koostamine Eesti rannikumerele ja edastamine Lokaalsed prognoosimudelid kriitilistes rannikumere piirkondades andmed, arendus Detailne lokaalne prognoos operatiivseks tegutsemiseks Täpsuse ja operatiivsuse suurenemine Mereprognoos Täpsemad mereprognoosid HIROMB baasil Eestis, arengukava aastast 2006 HIRLAM-Eesti ECMWF atmosfäär Kõrglahutusega (mõni km) Eesti ilmaprognoosi mudel HIRLAM meri HIROMB-Eesti BOOS HIROMB Väljund: Rakendamise ajaskaala: test: mõni kuu rutiinselt: 1 aasta test: 1-2 aastat rutiinselt: 2-3 aastat, usaldusväärselt 5 aastat

22. Mereprognooside IT üldskeem Praeguseks töötab 0.5 miilise sammuga regionaalne mudel

23. Regionaalne prognoosimudel HIROMB-EST Horisontaalne võrgusamm 0.5 miili, vertikaalne võrgusamm 3 m (kuni sügavuseni 90 m) Töötab alates 2009 kevadest koostööprojekt EMHI-ga tulemused näha ka EMHI veebilehel

24. Meretaseme mõõtmisandmete vahetus reaalajas

25. Meretaseme automaatjaam Lehtma sadamas Andurid enne ja pärast paigaldamist Juhtimisplokk

26. HIROMB meretaseme prognoosi algandmed ja mõõtmised

27. HIROMB meretaseme prognoosi nulli nihe korrigeerimine “tagasi” rakendatud libiseva keskmisega (tuleviku mõõtmised pole prognoosi hetkel teada) nulli nihe lahutatakse mudeli toorväljundist maha Põhjused ??? moonutatud hõõrdumine Taani väinades ja vead Läänemere täitumisel ja tühjenemisel ???

28. HIROMB meretaseme prognoos ja mõõtmised • Vigade okeanograafilised põhjused: • nulli nihe • võnkumiste faasinihe • lainest tingitud veetõus • jõesuudme mõju + ilmaprognooside vead tormide ajal eriti tormi trajektoori muutus

29. SST 9 August 2006 SST in the Gulf of Finland on 9 August, 2006 HIROMB model forecast Hiromb model forecast Hiromb model forecast MODIS image MODIS image MODIS image Cold water is brought to the surface in the Cold water is brought to the surface in the southwestern Gulf of Finland. southwestern Gulf of Finland. MODIS-HIROMB SST erinevus Statistika: Total, n=20689 Rmse=1.99 Reduced, n=20101 Rmse=1.37 MODIS: Rivo Uiboupin

30. Temperatuuriprofiilide valideerimine Soome lahes August-September 2006 Model and CTD Model – CTD difference Mudelis on kõrgem temperatuur

31. Soolsuse profiilide valideerimine Soome lahes August-September 2006 Model and CTD Model – CTD difference Mudeli soolsus on üldiselt väiksem, väljaarvatud pinnakihis