NSO8055 Okeanograafiline prognoosJüri 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.pdfhttp://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes08.pdfhttp://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes15.pdfhttp://www.msi.ttu.ee/~elken/OceanLim_Notes17.pdf

HIROMB (High-Resolution Operational Model for the Baltic Sea) Läänemere operatiivne prognoosimudelite süsteemmoodustatud HELCOM naftareostuse prognoosi soovituse 12/6 täitmisekskaasajal ülesanded palju laiemad

konsortsiumilepingu alusel osalevad: Rootsi Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituut (SMHI) 1995Saksa Meresõidu ja Hüdrograafia Liiduamet (BSH) 1995Taani Kuninglik Meresõidu ja Hüdrograafia Administratsioon (RDANH) 1998Soome Keskkonnainstituut (SYKE) 2003TTÜ Meresüsteemide Instituut (MSI) 2005Läti Keskkonna-, Geoloogia ja Meteoroloogia Agentuur (LEGMA) 2007Venemaa Riiklik Hüdrometeoroloogia Ülikool (RSHU) 2007Gdanski MerendusinstituutSoome MeteoroloogiainstituutTaani Meteoroloogiainstituut

HIROMB konsortsium

HIROMB konsortsiumilepingust

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

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 • diskretiseeritud vertikaalis 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

HIROMB mudelsüsteemi komponendid

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

HIROMB mudelsüsteemi komponendid (2)

Näide liikumishulga võrranditest sfäärilistes koordinaatides

Wilhelmsson, 2002

Cmod-is kasutatav diskretiseerimine

NB! Kuna vertikaalkoordinaat on suunatud alla, on paremakäelise kolmiku jaoks y-koordinaat suunatud lõunasse (mitte põhja nagu tavaliselt)

Wilhelmsson, 2002

HIROMB arvutuste ajaline järgnevus

Wilhelmsson, 2002

HIROMB arvutuste ajaline järgnevus

Programmi kood FORTRAN / C: SMHI mudel v3.0: 162 “füüsika” algfaili 8+32+16 paralleelarvutuse faili + ParMETIS teek55+15 GRIB töötlemise faili15 algandmete failijne + automaatselt sisseloetavad välismõjude failid

Wilhelmsson, 2002

HIROMB mudelsüsteemi arvutusvõrgud

Wilhelmsson, 2002

HIROMB versioon NB03

võrgusamm 3 miiliväljundfaili maht 2 854 680 B

16 vertikaalnivood4, 8, 12,18, 24, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 110, 130, 160, 190, 230 m

Mudel Min Max Punkte Võrgusamm (kraadi)

Võrgusamm (miili / km)

Prognoosi ajad (UTC)

Prognoosi pikkus (tundi)

NB03 Lat 53.292 65.892 253 0.05000000 3.000 / 5.556 00:00

12:00

48

Lon 5.931 30.347 294 0.08333333 2.500 / 4.630

Kuni 2009, edaspidi on vertikaalsed sammud väiksemad

Mudel Min Max Punkte Võrgusamm (kraadi)

Võrgusamm (miili / km)

Prognoosi ajad (UTC)

Prognoosi pikkus (tundi)

BS01 Lat 53.658 65.892 735 0.01666667 1.000 / 1.852 00:00 48

Lon 9.375 30.236 752 0.02777777 0.833 / 1.543

HIROMB versioon BS01

võrgusamm 1 miilväljundfaili maht 21 019 650 B

16 vertikaalnivood4, 8, 12,18, 24, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 110, 130, 160, 190, 230 m

Kuni 2009, edaspidi on vertikaalsed sammud väiksemad

HIROMB arvutuste ajakulu SMHI-s (2000)

Wilhelmsson, 2002

Näide optimiseeritud paralleelsetest arvutuspiirkondadest

NB! Vajalik tõsine koostöö okeanograafia, numbrilise modelleerimise ja IT vahel

Wilhelmsson, 2002

Hoovuste valideerimine Taani väinades

Väiksem võrgusamm ei taga alati paremat tulemust

Prognoositud hoovused liiga väikesed

RDANH

Soolsuse valideerimine Taani väinades

DMI

Hoovuste valideerimine Gdanski lähedal

MIG

Hoovuste valideerimine Hanö lahes

SMHI

Prognoositud hoovused üldiselt liiga väikesed, kuid tugevamad hoovused võivad minna liiga suureks

Meretaseme valideerimine Tallinnas

MSI

HIROMB

HIRLAM

BOOS

ECMWF

HIROMB-Eesti

HIRLAM-Eesti

Kõrglahutusega (mõni km) Eesti ilmaprognoosi mudel

Prognooside koostamine Eesti rannikumerele ja

edastamine

Mereprognoos

Täpsuse ja operatiivsuse suurenemine

Väljund:

Rakendamise ajaskaala: test: mõni kuu

rutiinselt: 1 aastatest: 1-2 aastatrutiinselt: 2-3 aastat, usaldusväärselt 5 aastat

atmosfäär

meri

Lokaalsed prognoosimudelid kriitilistes rannikumere

piirkondades

Detailne lokaalne prognoos

operatiivseks tegutsemiseks

andmed, arendus

Täpsemad mereprognoosid HIROMB baasil Eestis, arengukava

aastast 2006

Mereprognooside IT üldskeem

Praeguseks töötab 0.5

miilise sammuga

regionaalne mudel

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

Meretaseme mõõtmisandmete vahetus reaalajas

Meretaseme automaatjaam Lehtma sadamas

Juhtimisplokk

Andurid enne ja pärast paigaldamist

HIROMB meretaseme prognoosi algandmed ja mõõtmised

HIROMB meretaseme prognoosi nulli nihe

Põhjused ??? moonutatud hõõrdumine Taani väinades ja vead Läänemere täitumisel ja tühjenemisel ???

korrigeerimine “tagasi” rakendatud libiseva keskmisega (tuleviku mõõtmised pole prognoosi hetkel teada)

nulli nihe

lahutatakse mudeli toorväljundist maha

obsmodel

dayst

n

nt

7

0

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

Total, n=20689

Rmse=1.99

Reduced, n=20101

Rmse=1.37

SST in the Gulf of Finland on 9 August, 2006

Cold water is brought to the surface in the southwestern Gulf of Finland.

Hiromb model forecast

MODIS image

SST 9 August 2006

Cold water is brought to the surface in the southwestern Gulf of Finland.

Hiromb model forecast

HIROMB model forecast

MODIS image

MODIS image

MODIS-HIROMB SST erinevus

Statistika:

MODIS: Rivo Uiboupin

Temperatuuriprofiilide valideerimine Soome lahes

Model and CTD Model – CTD difference

Mudelis on kõrgem temperatuur

August-September 2006

Model and CTD

Soolsuse profiilide valideerimine Soome lahes

Model – CTD difference

Mudeli soolsus on üldiselt väiksem, väljaarvatud pinnakihis

August-September 2006