Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипа оперативной океанографической системы Балтийского моря, методов и технологий по снижению последствий негативного воздействия природных и антропогенных факторов для обеспечения экологической безопасности морской среды

Номер контракта: 14.574.21.0091

Руководитель: Еремина Татьяна Рэмовна

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
балтийское море, оперативная система, нефтяное загрязнение, гидродинамические модели, аварийные разливы, гис карты, атлас загрязнений, мониторинг, биота, ущерб

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение задачи обеспечения заинтересованных пользователей высококачественной информацией о состоянии среды Балтийского моря и его прибрежных (российских) акваторий, которая может быть получена путем комбинации оперативных данных дистанционных и контактных измерений с результатами расчетов по трехмерным гидродинамическим моделям в оперативном режиме. 2. Разработка и внедрение в эксплуатацию оперативной океанографической системы Балтийского моря, методов и технологий по снижению последствий негативного воздействия природных и антропогенных факторов для обеспечения экологической безопасности морской среды, разработка и усовершенствование комплекса моделей и процедур усвоения (ассимиляции) данных наблюдений для воспроизведения текущего состояния и прогнозной динамики гидрофизических полей и элементов экосистемы Балтийского моря.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1 Разработана оригинальная региональная 3-х мерная гидродинамическая модель Балтийского моря (ГМБМ). Выполнена общая постановка гидротермодинамичекой модели, включающая в себя основную систему уравнений и краевые условия. Модель реализуется в криволинейной системе координат с обобщенной произвольной вертикальной координатой, позволяющей переход между z*-, σ- или гибридной координатами. Приведены схемы дискретизации уравнений по времени и пространству, а также обсуждены возможности увеличения шага по времени при различных методах расчета свободной поверхности.
1.2 Для обеспечения процедуры ассимиляции данных в ГМБМ разработан блок оперативного усвоения данных спутникового зондирования и автоматических измерительных систем в ГМБМ.
1.3 Разработаны локальные модели российских прибрежных акваторий - Финского залива и Калининградского шельфа. При разработке локальной гидротермодинамической модели Финского залива (ЛМФЗ) были учтены ключевые природные и антропогенные особенности объекта моделирования: батиметрия, наводнения в Санкт-Петербурге, Комплекс защитных сооружений, термохалинная структура, толщина перемешанного слоя, вихревая динамика. При разработке локальной гидротермодинамической модели Калининградского шельфа (ЛМКШ) были учтены следующие ключевые геофизические особенности объекта моделирования: батиметрия, дрейфовая циркуляция, прибрежные апвеллинги и даунвеллинги, вихревая динамика.
1.4 Разработана математическая модель переноса пассивной примеси и взвешенного материала (МПиВ). Блок расчета переноса пассивной примеси инкорпорирован в региональную модель циркуляции Балтийского моря.
1.5 Разработана программная документация ООСБ. В состав оперативной океанографической системы Балтийского моря (ООСБ) включены: ГМБМ, ЛМФЗ, ЛМКШ и блок оперативного усвоения данных наблюдений о состоянии моря в модель ГМБМ. ОССБ представляет собой аппаратно-программный комплекс, позволяющий обеспечивать в автоматическом оперативном режиме получение прогностических 3-х мерных гидрофизических полей (скорости течений, уровень моря, температура и соленость морской воды, сплоченность и толщина ледяного покрова). Приводится описание архитектуры и технологии функционирования создаваемой оперативной системы, алгоритм прогностических расчетов, алгоритм задания граничных условий на жидких границах областей.
1.6 Разработана программная документация ЭАСОКиБР. Разработаны основные компоненты ЭАСОКиБР, сформулирован принцип функционирования ЭАСОКиБ. Техническая реализация ЭАСОКиБР представляет собой "облачную" платформу, что позволяет создавать удаленные автоматизированные рабочие места наблюдателя – гидрометеоролога.
1.7 Разработаны программы и методики экспериментальных исследований ООСБ и ЭАСОКиБР. Разработанные методики исследовательских испытаний включают в себя испытания ООСБ и ЭАСОКиБР на соответствие техническим требованиям, изложенным в техническом задании на проект.
1.8 Разработана методика по выявлению и картографированию зон высокой экологической и культурной значимости. Методика адаптирована для условий Финского залива. Методика разработана в соответствии с требованиями национального законодательства в области охраны окружающей среды и соответствующих международных договоров с участием Российской Федерации.
1.9 Разработана методика оперативного гидрометеорологического мониторинга морской среды в море с использованием ТКСД, размещенного на стационарной нефтедобывающей платформе в юго-восточной части Балтийского моря. Методика гидрометеорологического мониторинга морской среды с использованием технического комплекса, расположенного на нефтедобывающей платформе МЛСП D-6 предлагает комплекс мер направленных на получение различных гидрометеорологических данных. Основой методики является размещение и функционирование технического комплекса на нефтедобывающей платформе. Методика указывает на гидрометеорологические компоненты, получение данных по которым необходимо при проведении гидрометеорологического мониторинга и на общие принципы получения таких данных на примере действующих приборов. Основной задачей для внедрения методики при создании технического комплекса является создание единой системы управления для всех компонентов данного комплекса и создание единой системы накопления и передачи данных в режиме онлайн.
1.10 Выполнен сбор данных о характеристиках морской среды в юго-восточной части Балтийского моря и Финском заливе на основе данных дистанционного зондирования,
включающий спутниковые данные о температуре поверхности моря, уровне и содержании хлорофилла «а» за период 2006-2013 г.г.. Также были собраны данные
радиолокаторов с синтезированной апертурой за 2010-2013 г.г. На основе собранных данных сформирована база данных.
1.11 Выполнен сбор натурных данных для выделения зон высокой экологической значимости проводился РГГМУ на акватории восточной части Финского залива в 2000-2014 гг. Получение данных 2015 года будет выполняться на экспериментальном этапе выполнения работ в 2015 г. Также были собраны данные, полученные ранее при выполнении таких проектов как "Мониторинг трассы морского трубогазопровода» (2011-2014) и «Экологически дружественный порт» (2012- 2014).
2. Основные характеристики создаваемого макета оперативной океанографической системы Балтийского моря (ООСБ), а именно: высокое пространственное разрешение гидродинамических моделей (до 250 м в прибрежной зоне); соответствие современному уровню знаний о циркуляции и климатических характеристиках рассматриваемого бассейна; выполнение контроля качества получаемых расчетных характеристик по независимым данным; заблаговременность вырабатываемых прогнозов не менее 48 часов; временная дискретность прогностических полей 1 час; интерактивный Web интерфейс для организации удаленных рабочих мест.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разработанная система представляет собой комплекс региональных и локальных моделей взаимоувязанного сопряжения друг с другом, в котором выполняется взаимоувязанное интегрирование (решение по времени) моделей при обмене краевыми условиями в соответствии с постановкой задач. Модели имеют общую математическую постановку основных уравнений движения и унифицированную реализацию на базе набора программных модулей для моделирования океана - NEMO. ГМБМ имеет высокое горизонтальное разрешение500 м в узких Датских проливах до 4 км в открытой части моря, по вертикали - 36 слоев. Расчетная область ЛМФЗ охватывает весь Финский залив, включая Невскую губу. Горизонтальное разрешение варьируется от 200 м в районе Невской губы до 2 км в западной части залива. Водопропускная способность КЗС параметризована с учетом сохранения общей площади пропускных сечений, предусмотрена возможность закрытия судопропускных ворот. По вертикали толща моря делится на 80 слоев. Среднее вертикальное разрешение составляет примерно 1 м. Расчетный домен ЛМКШ включает только область мористее Вислинской (Балтийской) и Куршской кос. Горизонтальное разрешение в местах сгущения достигает 200 м. Среднее вертикальное разрешение составляет примерно 1 м. Шаг по времени у обеих моделей не превышает 600 с. В региональную модель циркуляции Балтийского моря инкорпорирован блок расчета переноса пассивной примеси (МПиВ), основанный на модели турбулентной диффузии примеси с использованием двух взаимосогласованных систем уравнений: детерминированной и стохастической. Разработанный комплекс моделей является основой ООСБ и ЭАСОКиБР. Разработанная оперативная система состоит из двух подсистем: оперативной океанографической системы Балтийского моря и экспертно-аналитической системы оперативного контроля за состоянием заданной акватории и быстрого реагирования на аварийные ситуации на море (ЭАСОКиБР).
2. Впервые будет разработан отечественный прототип оперативной океанографической системы Балтийского моря, основанный на моделях высокого и сверхвысокого (для прибрежных зон) пространственного разрешения. Впервые предлагается оперативная подготовка локальных специализированных прогнозов по требованию заинтересованных пользователей на основе "облачных" технологий.
3. Разработанный отечественный прототип оперативной океанографической системы Балтийского моря будет отвечать современному мировому уровню разработок ведущих прогностических центров, таких как: FOAM (Met Office), Великобритания; HYCOM/NCODA, США, Mercator Ocean (French Operational Oceanography Centre),Франция;NERSC, Норвегия.
4. За счет более высокого пространственного разрешения и корректного учета локальных физических процессов и особенностей акватории, разрабатываемая система будет превосходить зарубежные аналоги по заблаговременности и точности краткосрочных прогнозов. Качество прогнозов будет подтверждаться сравнением результатов прогнозов европейской оперативной прогностической моделью Балтийского моря и отечественной моделью.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут быть использованы в таких областях науки как прикладная океанография. Назначение разрабатываемой ООСБ - получение прогностических 3-х мерных гидрофизических полей (скорости течений, уровень моря, температура и соленость морской воды, сплоченность и толщина ледяного покрова), а также диагностических и прогностических полей концентраций и зон осаждения взвешенного материала и пассивной примеси (в том числе нефтяных загрязнений) для прибрежных зон Балтийского моря (Финский залив, Калининградский шельф).
2. Создаваемый в ходе выполнения прототип оперативной океанографической системы может быть использован Росгидрометом для внедрения в практику прогнозирования состояния морской среды Балтийского моря. Основанная на спутниковом мониторинге система обнаружения и оповещения о нефтеразливах в российских прибрежных зонах Балтийского моря и разработанные инструменты оперативного прогнозирования состояния морской среды, а также методики их оперативного использования, автоматизированного получения данных могут быть внедрены в технологию оперативного мониторинга в районах нефтедобычи в море, в оперативную практику работы МЧС, заинтересованных государственных служб, портов и администраций приморских городов (Санкт-Петербург, Калининград) для обеспечения безопасности, в том числе населения приморских районов.
3. Подходы и научные решения, используемые при разработке прототипа оперативной океанографической системы для Балтийского моря, а также методы и технологии по снижению последствий негативного воздействия природных и антропогенных факторов могут быть использованы при создании таких систем на других морях России, способствовать развитию вихреразрешающих моделей, технологий ассимиляции данных и автоматизированной передачи данных.
4. Результаты работы будут представлены на международных конференциях и рабочих семинарах в рамках балтийского проекта BOOS-HIROMB (Оперативная Океанографическая Система Балтийского моря - Высокоразрешающая Модель Балтийского моря) с целью развития международного сотрудничества и обмена знаниями в области оперативной океанографии.

Текущие результаты проекта:
1) Разработана оригинальная региональная 3-х мерная гидродинамическая модель Балтийского моря (ГМБМ). Выполнена общая постановка гидротермодинамичекой модели, включающая в себя основную систему уравнений и краевые условия. Модель реализуется в криволинейной системе координат с обобщенной произвольной вертикальной координатой, позволяющей переход между z*-, σ- или гибридной координатами. Приведены схемы дискретизации уравнений по времени и пространству, а также обсуждены возможности увеличения шага по времени при различных методах расчета свободной поверхности.
2) Для обеспечения процедуры ассимиляции данных в ГМБМ разработан блок оперативного усвоения данных спутникового зондирования и автоматических измерительных систем в ГМБМ.
3) Разработаны локальные модели российских прибрежных акваторий - Финского залива и Калининградского шельфа. При разработке локальной гидротермодинамической модели Финского залива (ЛМФЗ) были учтены ключевые природные и антропогенные особенности объекта моделирования: батиметрия, наводнения в Санкт-Петербурге, Комплекс защитных сооружений, термохалинная структура, толщина перемешанного слоя, вихревая динамика. При разработке локальной гидротермодинамической модели Калининградского шельфа (ЛМКШ) были учтены следующие ключевые геофизические особенности объекта моделирования: батиметрия, дрейфовая циркуляция, прибрежные апвеллинги и даунвеллинги, вихревая динамика.
4) Разработана математическая модель переноса пассивной примеси и взвешенного материала (МПиВ). Блок расчета переноса пассивной примеси инкорпорирован в региональную модель циркуляции Балтийского моря.
5) Разработана программная документация ООСБ. В состав оперативной океанографической системы Балтийского моря (ООСБ) включены: ГМБМ, ЛМФЗ, ЛМКШ и блок оперативного усвоения данных наблюдений о состоянии моря в модель ГМБМ. ОССБ представляет собой аппаратно-программный комплекс, позволяющий обеспечивать в автоматическом оперативном режиме получение прогностических 3-х мерных гидрофизических полей (скорости течений, уровень моря, температура и соленость морской воды, сплоченность и толщина ледяного покрова). Приводится описание архитектуры и технологии функционирования создаваемой оперативной системы, алгоритм прогностических расчетов, алгоритм задания граничных условий на жидких границах областей.
6) Разработана программная документация ЭАСОКиБР. Разработаны основные компоненты ЭАСОКиБР, сформулирован принцип функционирования ЭАСОКиБ. Техническая реализация ЭАСОКиБР представляет собой "облачную" платформу, что позволяет создавать удаленные автоматизированные рабочие места наблюдателя – гидрометеоролога.
7) Разработаны программы и методики экспериментальных исследований ООСБ и ЭАСОКиБР. Разработанные методики исследовательских испытаний включают в себя испытания ООСБ и ЭАСОКиБР на соответствие техническим требованиям, изложенным в техническом задании на проект.
8) Разработана методика по выявлению и картографированию зон высокой экологической и культурной значимости. Методика адаптирована для условий Финского залива. Методика разработана в соответствии с требованиями национального законодательства в области охраны окружающей среды и соответствующих международных договоров с участием Российской Федерации.
9) Разработана методика оперативного гидрометеорологического мониторинга морской среды в море с использованием ТКСД, размещенного на стационарной нефтедобывающей платформе в юго-восточной части Балтийского моря. Методика гидрометеорологического мониторинга морской среды с использованием технического комплекса, расположенного на нефтедобывающей платформе МЛСП D-6 предлагает комплекс мер направленных на получение различных гидрометеорологических данных. Основой методики является размещение и функционирование технического комплекса на нефтедобывающей платформе. Методика указывает на гидрометеорологические компоненты, получение данных по которым необходимо при проведении гидрометеорологического мониторинга и на общие принципы получения таких данных на примере действующих приборов. Основной задачей для внедрения методики при создании технического комплекса является создание единой системы управления для всех компонентов данного комплекса и создание единой системы накопления и передачи данных в режиме онлайн.
10) Выполнен сбор данных о характеристиках морской среды в юго-восточной части Балтийского моря и Финском заливе на основе данных дистанционного зондирования,
включающий спутниковые данные о температуре поверхности моря, уровне и содержании хлорофилла «а» за период 2006-2013 г.г.. Также были собраны данные радиолокаторов с синтезированной апертурой за 2010-2013 г.г. На основе собранных данных сформирована база данных.
11. Выполнен сбор натурных данных для выделения зон высокой экологической значимости проводился РГГМУ на акватории восточной части Финского залива в 2000-2014 гг. Получение данных 2015 года будет выполняться на экспериментальном этапе выполнения работ в 2015 г. Также были собраны данные, полученные ранее при выполнении таких проектов как "Мониторинг трассы морского трубогазопровода» (2011-2014) и «Экологически дружественный порт» (2012- 2014).