Модели и системы. Краткая характеристика
С начала 90‐х годов прошлого века работы по созданию четырехмерных океанологических моделей шли с учетом требований различных приложений и в комплексе с прикладными моделями и моделями другого дисциплинарного содержания.
В соответствии со своим прикладным предназначением системы оперативной океанографии включают следующие составные части:
• технические средства сбора океанологических данных;
• океанологические модели для описания динамических явлений и ассимилирующие измеряемые данные;
• сети передачи данных;
• средства моделирования и обработки данных для текущих оценок и прогноза.
Сформировавшаяся концепция систем оперативной океанографии включает ряд базовых положений. Эти положения определяют состав и характеристики составных частей таких систем. Так, технические средства, предназначенные для сбора океанологических данных, представляются в виде распределенных в пространстве наблюдательных сетей и средств дистанционного зондирования. Наблюдательная сеть здесь – это пространственно распределенный набор платформ и сенсоров. Модели характеризуются различными окнами пространственных и временных масштабов, возможностью адаптации при изменении условий и связями с прикладными частями, например, такими как моделирование распространения звука. Ассимиляция данных предполагает адаптацию к текущим условиям, в том числе путем перестройки наблюдательной сети. К числу концептуальных причисляют такие свойства систем, как модульность и возможность наращивания и модернизации.
Входными данными для восстановления трехмерного пространственно-временного распределения основных гидрофизических характеристик являются:
• дистанционно измеряемые данные о температуре и уровне морской поверхности;
• батитермографические данные, получаемые от CTDи ADCP-зондирования;
• батиметрические базы данных;
• данные о приповерхностном ветре( метеорологическая составляющая);
• базы данных по корреляционным( регрессионным) связям поверхностных и глубинных гидрофизических характеристик.
Выходными результатами систем являются текущие и прогнозные оценки трехмерного распределения полей температуры, солености, течений и скорости звука.
Физической основой, позволяющей получать указанные результаты, являются организованные системы примитивных уравнений гидродинамики, приливные модели и частные модели, учитывающие специфику конкретной акватории и усваивающие измерения.
Известные модели разбиты на ряд групп, которые различаются по подходам к пространственной дискретизации и представлениям вертикальной координаты. Краткая характеристика моделей хронологически представлена в [ 4 ].
Выделен ряд гибридных разработок, которые усваивают различные экспериментальные данные. Данные получают от различных измерительных средств. Например, от отрывных батитермографов и модифицированной бортовой корабельной аппаратуры, от сетей океанологических станций и подводных аппаратов. Развито сквозное моделирование, включающее цепочки различных моделей: от « работы » океанологических сенсоров, динамики физических процессов до выходной реакции решателя конечной задачи.
Существует деление моделей и систем, привязывающее их к условиям открытого океана и к прибрежным зонам. Есть и разделение моделей на глобальные, региональные и локальные. За этими вариантами стоят требования к разрешающей способности моделей и их существенные особенности. Все это связано с приложениями.
Представление об идеологии текущего оценивания и предсказания состояния океана. Эволюция систем
Известно, что когда мы формируем описание какого-либо процесса, то связываем некоторой зависимостью данные, которые могут наблюдаться, независимые переменные( пространственные координаты и время), факторы, влияющие на зависимость, и параметры этой зависимости. Такое описание называют решением прямой задачи.
Задавая значения параметров, мы можем судить о том, как могут изменяться данные о процессе в пространстве и времени. В тех случаях, когда зависимость задана, независимые переменные определены и ставится задача оценки параметров модели по наблюдаемым данным, говорят о решении обратной задачи. В этом смысле существующая теория оценивания параметров является теоретической основой решения обратных задач. При этом говорить об обработке или анализе наблюдаемых данных можно как о решении обратной задачи.
Важным видом моделей является модель тренда с ошибкой [ 5, 6 ]. « В этой модели наблюдаемый ряд рассматривается как сумма полностью детерминированной последовательности { f( t)}, которую можно назвать систематической составляющей, и случайной последовательности { u( t)}, подчиняющейся некоторому вероятностному закону » [ 5 ]. Оценка параметров производится как процедура подгонки модели под наблюдаемые данные. Про‐
69