1. NSO8055 Okeanograafiline prognoos
Jüri Elken
Mereprognooside mudeli HIROMB ülevaade
konsortsium, ajaloost
mudelsüsteemi komponendid, arvutuste ajaline järgnevus
arvutusvõrgud
paralleelarvutused
mõned valideerimised
mereprognoosid Eestis
Vaata ka võrrandite ja modelleerimise materjale:

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
Alates ca 2013 BOOS programm
Suurem töö ja arendus käib COPERNICUS mereteenuse kaudu

3. HIROMB konsortsiumilepingust

4. HIROMB mudelkoodi areng
Põhineb Hamburgis (BSH) 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
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

6. HIROMB mudelsüsteemi komponendid (2)
turbulentsi κ-ω mudel (alates ); 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
paralleelarvutuse faili + ParMETIS teek
55+15 GRIB töötlemise faili
15 algandmete faili
jne automaatselt sisseloetavad välismõjude failid

11. HIROMB mudelsüsteemi arvutusvõrgud
Wilhelmsson, 2002

12. Prognoosi pikkus (tundi)
HIROMB versioon NB03
võrgusamm 3 miili
väljundfaili maht 2 854 680 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
Mudel
Min
Max
Punkte
Võrgusamm (kraadi)
Võrgusamm (miili / km)
Prognoosi ajad (UTC)
Prognoosi pikkus (tundi)
NB03
Lat
53.292
65.892
253
3.000 / 5.556
00:00
12:00 48
Lon
5.931
30.347
294
2.500 / 4.630

13. Prognoosi pikkus (tundi)
HIROMB versioon BS01
võrgusamm 1 miil
väljundfaili maht 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
Mudel
Min
Max
Punkte
Võrgusamm (kraadi)
Võrgusamm (miili / km)
Prognoosi ajad (UTC)
Prognoosi pikkus (tundi)
BS01
Lat
53.658
65.892
735
1.000 / 1.852
00:00 48
Lon
9.375
30.236
752
0.833 / 1.543

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. Täpsemad mereprognoosid HIROMB baasil Eestis, arengukava
aastast 2006
HIRLAM-Eesti
ECMWF
atmosfäär
Kõrglahutusega (mõni km) Eesti ilmaprognoosi mudel
HIRLAM
Täpsuse ja
operatiivsuse
suurenemine
meri
HIROMB-Eesti
BOOS
Lokaalsed prognoosimudelid kriitilistes rannikumere piirkondades
Detailne lokaalne prognoos operatiivseks tegutsemiseks
andmed, arendus
Prognooside koostamine Eesti rannikumerele ja edastamine
Mereprognoos
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 MODIS-HIROMB SST erinevus Statistika: Total, n=20689
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
HIROMB model forecast
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