海洋预报系统设计操作
加里·b·Brassington
抽象的科学和技术进步在海洋造型,海洋数据同化和海洋观测系统在过去的十年中取得了大的挑战海洋预报一个可实现的目标与第一代的实现系统(Dombrowsky et al . 2009年)。实现这些组件为一个真正的业务预报系统介绍了许多独特的约束,可能会导致性能降低。这些实际的约束,这样我们的局限性的覆盖率和质量关键部件的海洋实时观测系统以及完成预测集成在一个固定的时间表的限制是不可避免的任何预测系统组件和需要额外的策略来实现鲁棒性和性能最大化。我们首先定义常用的术语,如操作和预测在这个上下文。然后我们检查设计选择,可以用一个海洋预报系统的每个组件实现为一个操作系统来实现最可靠的性能。
18.1介绍
操作海洋预报系统已经建立了在过去的十年中由几个机构和机构(Dombrowsky et al . 2009年)。赫尔伯特et al . 2009提供了一个评估关键的发展在这一时期。这些系统使用多种技术(Kamachi et al . 2004;卡明斯2005;Brasseur et al . 2005;马丁et al . 2007;好的等。2005年,2008年)很大程度上是由于科学的成熟状态。这些技术是理论上最优的使用所定义的四维变分方案(Lorenc 2003)或一个卡尔曼滤波器(Evensen 2003)。然而,涡流的计算成本解决模型排除4 dvar EnKF的使用方法,和穷人的知识
澳大利亚天气和气候研究中心气象局,墨尔本,澳大利亚的电子邮件:raybet雷竞技最新(电子邮件保护)
a·席勒g . b . Brassington (eds),操作海洋学在21世纪,441年
DOI 10.1007 / 978 - 94 - 007 - 0332 - 2 - _18,©Springer科学+商业媒体帐面价值2011
背景误差协方差,应用在海洋中产生了各种各样的次优的方法被采用。
指导原则可以找到好的设计在很多报价我们引用三个。第一个被称为法律的仪器和亚伯拉罕·马斯洛认为,“当你唯一的工具是一把锤子,人们很容易把一切就像钉”。仪器的法律警告新科学家和工程师,需要努力提高现有系统的许多设计选择是基于已知的方法和技术。所有的设计选择都受制于这些方法,应该经常质疑和审查。
第二个报价是一个警告反对还原论和阿尔伯特·爱因斯坦,“让事情尽可能的简单,但不是简单的”。海洋预报系统的所有组件包含假设减少问题转化为简单的元素,提供优势如解决方案的方法。系统的所有假设减少参数空间是真实定义条件下如布西涅斯克、静水和不可压缩假设。全面了解这些假设和他们持有的条件是至关重要的,当把方法或系统新的应用程序。另外,所有新的有效方法的优点是没有用的,如果他们不解决目标问题所需的精度。
第三个和最后一个报价是以前报价的对立面,是由于阿尔伯特·爱因斯坦,“任何intelligentfool可以让事情更大、更复杂、更暴力。需要一点天才和很多勇气朝相反的方向”。这句话尤其相关与当前系统的趋势是模型分辨率更高,更复杂的数据同化方法,集成预测和耦合的物理模型。它停下来之前证明自动引入更大的系统的复杂性。这种趋势与计算系统性能的改善和扩展可能会继续下去。
今天好类比操作海洋预报设计天文钟的约翰•哈里森(1995年Sobel)发明的。格林威治访问博物馆,伦敦,你会看到一个令人难以置信的设计/艺术叫做H1(见图18.1)。这是由约翰·哈里森经度来解决这个问题
-
- 图18.1设计的H1时钟和b天文钟约翰哈里森解决经度的问题
产生一个时钟能够准确执行海上和索赔的重要货币奖励。任何人都忍不住佩服的质量设计和时钟的成就。然而,这个时钟被约翰哈里森抛弃经过17年的发展,因为他意识到他可以如何改进,最终到达一个口袋大小的设备称为天文钟(见图18.1 b)。操作海洋学今天是类似于H1,功能设计,包含了许多小说和优雅的解决方案,但是还远远没有,它将在未来的几十年的技术,重要的是它的性能可靠。
首先,在本文中,我们给出一个定义相关的常用术语海洋预报具体识别属性独特经营预测。然后,我们提供了一个简短的概述申请海洋预报和公共服务需求影响设计。18.4节介绍了海洋预报系统的系统元素,紧随其后的是扩大讨论这些元素特别强调每个组件的属性影响系统设计。教派。18.5实时观测系统,这包括教派。18.6实时迫使系统,教派。18.7造型,教派。18.8数据同化,教派。18.9初始化,教派。18.10预测周期,教派。18.11系统的性能。在我们的突出方面操作系统要求设计选择和感兴趣的系统设计。示范,例子是来自特定系统与警示,这些可能是也可能不是惯例。大部分的例子是来自BLUElink海洋模型,分析和预测系统(OceanMAPS)而著称。然后,我们以一个简短的结论。
18.2定义
所有预测系统的初始开发执行追算条件下(见表18.1)。在许多方面追经常试图模仿然而,预测环境的许多条件,发生在实时难以复制和不一定是正态分布如辍学的卫星产品(见图18.2)。另外,通常需要确定一个系统的统计性能操作在理想条件下设置性能上界。在实践中,这种级别的性能只有oc -
表18.1中经常使用的术语的定义,请参考国家海洋同化模型预测术语
Hind-analysis最好使用最佳方法估计和最大信息实时仿真预测即背后追算。,模型初始化后,
分析和模型投影追通常表现在理想条件下,代表一个上界状态和循环的预测性能的短时预测估计需要美国所有企业提供实时,可以用作持久性预测预测的预测和循环之外的实时状态
01/04 2009
11/04 21/04 01/05 11/05 21/05 31/05 10/06 20/06日期(dd / mm)
图18.2观察来自amsr - e(-)提升检索和(…)下行大片获得之间的气象局2009年1月4日,2009年6月30日
卑鄙的人,当预测方法的理想条件。在预测系统的设计不到理想条件下系统的性能是同等重要的。这经常引入了额外的策略来最大限度地降低影响达到最高的下界。因为这个原因,使用术语的预测至关重要和追算系统适当和准确地定义系统的条件。
术语工作的行动经常使用各种各样的定义,但有趣的是还有一个特定的哲学遗产(见http://plato。stanford.edu/entries/operationalism/)。提出了一个有用的工作定义在高品位的EuroGOOS (Prandle和弗莱明1998)。这个词,因为它适用于操作相关的预测是列在表18.2
表18.2定义操作的意义,因为他们申请世界气象机构运营
实时系统和产品定位的短时预测和预测需要美国所有企业提供常规定期执行
健壮的技术:高端计算和通信调度的科学设计故障转移和—目的:检测和减轻系统状态的变化,以确保对性能的影响最小
一致持续达到设计性能:实时服务经常和强劲。许多操作中心衡量成功的交付服务24/7。大量的资源被消耗以达到服务水平的99.99%时间世界气象组织机构的典型。服务质量的一致性设计选择也是至关重要的。
18.3应用程序
之前设计任何系统是很重要的定义应用程序是针对系统和定义服务需求需要满足。这是至关重要的观测系统的设计和预测系统。然而,海洋作战没有严格遵循这种理想化的方法。操作海洋学是发起一个实验,全球海洋数据同化实验(1997年史密斯和Lefebvre)出于新提供的机会和扩大全球海洋观测系统特别是卫星测高的介绍。许多行业,可能得益于海洋预报服务或多或少的认识。然而,特定的应用程序预测能力需求不清楚。有几个应用程序的属性会影响海洋预报系统的设计和这些服务的影响列于表18.3。包括应用程序的类型,其社会和经济价值,用户社区的复杂性和服务需求。
潜在的应用程序的一个子集表示在图18.3。图18.3 a, b表示一个邦尼海岸上涌事件发生在2008年2月10日在南澳大利亚。上升流经常影响当地海洋生态系统引入营养丰富的水透光区导致海洋叶绿素布鲁姆所观察到的颜色(图18.3 b) 2008年3月30日。上升流也可以在本地稳定影响大气边界层表面减少动力的传递。上升流可能发生迅速,因此可缺席大气预测,持续海温边界条件。这个特定的事件导致了预测失败,强风预报但当地观察员经验弱风。这导致一个投诉到当地旅游运营商已经取消了远洋邮轮。上升流活动也可以与海雾很难观察使用红外辐射(例如,先进的高分辨率辐射计(AVHRR))由于雾的存在或微波——EOS(例如,高级微波扫描辐射计(amsr - e))由于粗分辨率(~ 25公里/像素)和海岸线附近的干扰。动态预测需要生成凉爽的风场的风,可以观察到然而,海温的预测的精度很难验证。
海洋船舶事故和紧急服务(图18.3摄氏度),从油井(图18.3)包括机载和舰载打捞作业(图18.3 g)是一种明显的海洋预报服务的应用程序。然而,
应用程序 |
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类型 |
特别的时间和空间 |
(例如,搜索和救援、海洋事故和紧急情况,防御) |
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规划和管理 |
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(例如,渔业捕获,海洋公园管理) |
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工程/工业 |
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(例如,近海石油和天然气、船舶路由,可再生能源) |
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全球和连续 |
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(如天气、波、生态系统预测) |
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沿海大陆架 |
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(例如,港口管理、污水排放、沿海浪涌) |
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公共利益 |
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(例如,休闲钓鱼,潜水,游泳,帆船) |
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社会和经济 |
生活,安全或安全威胁 |
价值 |
财产损失 |
海洋健康 |
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经济价值和能源 |
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用户社区 |
用户结构化和协调? |
复杂 |
服务需求定义明确的吗? |
理解是海洋的影响服务? |
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解释海洋产品和增加价值的能力 |
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监控和评估影响的能力 |
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参与关系的能力并提供有用的反馈 |
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服务需求 |
追,短期,中期,长期的预测 |
性能阈值 |
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对误差的敏感性 |
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对极端的敏感性 |
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观测需求 |
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预测产品的及时性和频率 |
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要求熟练的拉格朗日轨迹一直难以实现。现在和未来的全球海洋观测系统在未来十年不太可能足以满足这些应用的需求(哈科特et al . 2009;戴维森et al . 2009;Rixen et al . 2009;Brassington et al . 2010年)。这些事件的特点是,他们经常发生的临时位置和本地化使它们适合短期内,强烈的观察部署通过使用滑翔机,AUV的和漂流浮标等。
常见的大气特性澳大利亚、巴西和美国各自的东部海岸线上迅速加剧的温带气旋的形成(见图18.3 d)。这些风暴有时也被称为炸弹由于其严重程度和影响。事件在2007年6月出名的接地货船帕夏Bulka也导致生命损失由于洪水在纽卡斯尔。澳大利亚东海岸的这些风暴时形成的截止低位寒冷干燥的空气移动在一个温暖潮湿的海洋边界导致垂直对流和大气中的一个积极的反馈,收敛
图18.3拼贴的应用程序需要实时的预测海温预报服务海岸上涌南Austrlai事件。b海洋的颜色响应同样的发泄,c石油洗在岸上昆士兰由于泄漏从太平洋冒险家,d模拟10米风的东海岸气旋新南威尔士海岸,e与事件相关的模拟风场条件,f的卸油
蒙达拉油井、基于g船打捞作业同样的事件,沿着文特河- t - h飙升
塔斯马尼亚州,我的预测海平面事件”1
图18.3需要实时预报的应用程序服务的拼贴预测海温的沿海南Austrlai上升流活动。b海洋的颜色响应同样的发泄,c石油洗在岸上昆士兰由于泄漏从太平洋冒险家,d模拟10米风的东海岸气旋新南威尔士海岸,e与事件相关的模拟风场条件,f的卸油
蒙达拉油井、基于g船打捞作业同样的事件,沿着文特河- t - h飙升
塔斯马尼亚州,我的预测海平面事件”1
每层潜在涡度(Mclnnes et al . 1992年)。海洋热含量沿着这些海岸线是高度变量由于动荡的西部边界电流传输温暖/淡水从热带到高纬度地区。图18.3所示的模仿SST e展品温度前暴风雨一样。温暖的SST的被一个温热的内核维护反气旋涡旋(Brassington 2010;Brassington et al . 2010 b)。海洋热含量的预测系统能够提供预测条件与潜在的用于耦合的预测。
沿着海岸海平面的高度通常是与潮汐和风暴潮的巧合。预报系统通常是基于所谓的“风暴”模型本地事件估计风险结合潮汐和海平面压力。模拟non-tidal海平面在海洋预报系统也可以影响其他远程沿海困波和撞击温暖海洋的影响边界电流。例如,一个高海平面文特河事件(见图18.3 h)导致当地风暴和大的振幅沿海困波传播来自南澳大利亚。沿海陷波的特点是高海平面巴斯海峡。(见图18.3)。区域预测没有发出警告,由于他们使用传统方法计算海平面没有占到远程的贡献。海洋预报系统有潜力提供总海平面预测。
在这些应用中海洋环境发挥重要作用的准确预测可以提供有价值的信息。详细分析这些以及其他类似的情况下可以识别相关的海洋变量和对误差的敏感性得到需求的性能代价。在这些例子中,SST、热含量、表面电流和海平面占4的5预后直接相关变量在静水的海洋环流模式。但重要的是要注意,他们的预测依赖于知识的预后变量。国家机构和机构定期与本地用户和有机会获得这些信息。JCOMM的专家团队在经营海洋预报系统(ET-OOFS)是负责提供国际协调来概括这个信息到观察和服务需求。
18.4系统的元素
今天所有可用操作海洋预报系统遵循类似的顺序和循环结构涉及处理最新的观测数据,进行模型数据融合、执行模型生成数据产品包括海洋状态估计、预测性能诊断和误差估计。这个顺序过程定期重复或执行在一个特设的基础如特定事件触发的。的系统图BLUElink OceanMAPS系统显示在图18.4。这包括检索和档案存储的观察,表面通量模型和数据同化相关的数据文件。
卫星数据档案系统
配置文件数据档案系统
局业务数值天气预报产品
局海温产品运营
数据服务系统
oda数据检索系统
OGCM数据检索系统
卫星数据检索系统
配置文件数据检索系统
表面通量检索系统
oda产品档案系统
OGCM产品档案系统
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OGCM数据检索系统
卫星数据检索系统
配置文件数据检索系统
表面通量检索系统
oda产品档案系统
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图18.4原理图一个操作系统元素的海洋预报系统。(基于BLUElink OceanMAPS, Brassington et al . 2007年)
主管监控调度程序(SMS)开发的欧洲中期天气预报中心(ECMWF;看到http://www.ecmwf.int/products/数据/软件/ sms.html)或相关软件,实现在行动中心,控制工作流程监控成功完成相关的系统组件。数据和文件处理在服务器上执行而大内存和数据同化和模型集成计算密集型任务提交给高端超级计算系统。计算环境的性能和水平的优化,可以实现海洋预报系统的软件设计是至关重要的。Eddy-resolving海洋预报系统的高端超级计算应用预测模型和数据同化反演。总挂钟时间和可用的计算资源,运营中心在其他几个预测系统是有限和管理。软件的效率和一致性的不同组件完成时间对设计有着重要的影响。例如,数据同化系统的计算成本将与反演问题的大小规模。针对降低成本可以通过super-observations妥协观察加工的数量或变薄,需要本地化的实现或限制背景误差协方差的规范。同样的成本海洋模型设计尺度网格点的数量/细胞和数值稳定的步伐约束。针对一个特定的成本限制会妥协中的水平/垂直分辨率模型或高分辨率的面积。
上述系统占大多数的科学和技术设计的海洋预报服务。但是有几个步骤为终端用户提供高质量的服务。这些包括可靠的数据基础设施产品的传播,预报员指导以及支持服务指定用户需求和评估的影响。这里没有进一步讨论这些重要步骤。
18.5实时观测系统
全球海洋现在观察到越来越多的工具和平台,每个有特定的属性,一些常见的一些独特的,将会影响海洋预报设计操作。这些属性列于表18.4,包括及时性、报道,预计错误和质量。海洋仪器和基础设施的相对不成熟导致更频繁的在实践中系统故障而数值天气预报。系统故障往往是随机的和不可预测的敏感性预测系统的故障观测系统是可衡量的。策略来最大限度地降低系统设计中需要考虑的影响。更详细的讨论在海洋方面的观测系统指Le Traon(2011)和Ravichandran (2011)。
在Situ-Profiles 18.5.1
海洋国家经常在实时Conductivity-Temperature-Depth (CTD)传感器等传统平台和停泊的船只
表18.4属性导致的海洋实时观测系统独特的设计选择海洋预报系统实时bserving系统
及时性如何接近实时观测收到了吗?
非正常的行为
报道
观测误差估计
延迟和更高质量的产品吗?
最小/最大覆盖范围是什么?
如何均匀覆盖吗?
仪表误差
表示的错误
产品包括质量标志吗?
有效的观测误差模型的测试
仪器故障、通信和自治等系统故障相对较新的平台Argo浮标和滑翔机,从志愿者的船只。除了消耗品Bathy-Thermograph从志愿者(XBT)准确性的船只和实时报道。抽样的原位测量大大增加在过去的十年和覆盖率增加了地区历史上差采样等印度洋和南太平洋。
Argo阵列目前原位取样的主要来源在很大程度上实现了目标一个浮动的密度每3°* 3在全球海洋> 3000°自主浮动。每个概要文件浮动~ 2000米的海水柱表面每10天在实时报告表面通过ARGOS或铱(Ro-emmich et al . 2010年)。用户指南的范围Argo数据产品和服务器访问点给出在线(http://www.argo.ucsd.edu/Argo_Date_Guide。html)。观测网络检索的数据组装中心(DAC)负责执行自动质量控制程序和分配这两个世界气象组织的观察全球电信系统(GTS)和两个全球DAC (GDAC)。DAC的也在推迟执行客观质量控制模式。通过自动质量控制报告的概要文件实时TESAC GTS没有质量控制信息的格式。快速模式从GDAC服务器产品可用的格式,其中包含3天内质量控制旗帜和本地观察压力坐标。
其他重要的CTD资料得到系泊的数组,道/卫(太平洋;McPhaden et al . 2001年),PIRATA(大西洋;Bourles et al . 2008年)和最近罗摩印度;McPhaden et al . 2009年)。这些停泊阵列实时报告,每天多次,报告到GTS。越来越滑翔机被用于自适应抽样然而,海洋数据收购一样以同样的方式却不协调的国际阿尔戈和缺乏一个共同的实时质量控制过程,与GTS的集成和其他DAC / GDAC产品交付。
XBT一直维护的准确性受到特定的船舶航线和抽样的频率志愿者船只占领的路线(戈尼et al . 2010年)。XBT的准确性提供高温度和深度的垂直分辨率资料定期间隔沿着船的路线。概要文件,子样品在垂直,报告GTS没有质量控制的旗帜。概要文件随后主观质量控制的一些中心使用一组通用的过程(贝利et al . 1994年)。
作为一个例子的数量配置文件检索的气象局每天GTS和两个阿尔戈GDAC(科里奥利和USGO-DAE)自2010年1月15日至2010年3月1日图18.5所示。GTS报告一致~ 1200资料每天虽然最近检索显示增加的数量由于浅在美国沿海观察观察。GDACS的报告平均每天300配置文件对应的预期数量每天Argo浮标浮出水面。概要文件的数量从每个检索GDAC不关联,显然不是简单的一个镜像站点。科里奥利也经常爆发的概要文件主要包含旧档案DAC主观质量。最好的日常观察以接近实时的方式提供排序中获得的三个来源。理想情况下的三个来源应该包含最多三个重复相同的概要文件,必须的
原位概要
原位概要
5000年
15/01 20/01 25/01 30/01 04/02 09/02 14/02 19/02 24/02 01/03
图18.5海洋资料的数量每天检索2010年1月15日至2010年3月1日的GTS(紫色),科里奥利(蓝色)和USGODAE(绿色)和重复的数量免费资料(红色)
5000年
15/01 20/01 25/01 30/01 04/02 09/02 14/02 19/02 24/02 01/03
图18.5海洋资料的数量每天检索2010年1月15日至2010年3月1日的GTS(紫色),科里奥利(蓝色)和USGODAE(绿色)和重复的数量免费资料(红色)
被减少到一个。最好的概要文件被确定为一个具有最完整的观察和最大的质量控制测试应用。概要文件的数量获得每天的重复检查过程图18.5所示为红色。最好的日常观测提供了持续每天~ 1200概要文件。概要文件实时显示下降的影响资料的及时性与总数的一小部分概要文件获得实时后面几天。
算法开发的气象局(Brassington et al . 2007年)选择最佳配置文件替换配置文件从GTS获得更完整的个人信息,特别是质量控制,从GDAC获得的。及时性的一个典型的例子,体积和源的配置文件获得系统图18.6所示为2009年9月13日。头两天内的实时资料的数量是由那些从GTS获得。在第一天GTS概要文件由GDAC的概要文件所取代。在第三和随后的几天概要文件从GDAC继续取代那些从GTS获得。配置文件替换的数量下降的时间背后实时增加。
海洋表面温度是最经常观察海洋状态变量与多个传感器和多个卫星轨道。微波与太阳同步和红外同步平台提供更高的覆盖率而红外极地轨道任务提供免费云最高的分辨率和精度的条件。在那里
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