Группа океанографов и специалистов по анализу данных из США, Франции, России и Австрии, представляющих ведущие научные центры, создала и протестировала инновационный подход, который позволяет с высокой степенью точности выделять медленные, крупномасштабные океанские течения, отграничивая их от быстро меняющихся волновых возмущений. Благодаря использованию сложного математического инструмента, известного как динамическая декомпозиция мод, исследователям удалось «устранить» помехи в данных, полученных с новейшего спутника SWOT, и впервые получить детальное представление о геострофически сбалансированных движениях в такой сложной динамической области, как Гольфстрим. Это достижение открывает новые возможности для климатического моделирования, прогнозирования погоды и изучения глобальной океанической циркуляции. Результаты исследования опубликованы в журнале Earth and Space Science.
Океан – это не застывший водоём, а чрезвычайно сложная система, находящаяся в непрерывном движении. Гигантские течения, подобные Гольфстриму, выполняют роль его магистральных путей, транспортируя тепло от экватора к полюсам и определяя климат всей планеты. Для изучения этого глобального «кровообращения» ученые применяют спутниковую альтиметрию — технологию, позволяющую измерять высоту поверхности моря (SSH). Однако данные, получаемые со спутников, содержат огромное количество разнообразных сигналов. Как в концертном зале мы слышим не только основную мелодию, но и посторонние звуки, спутник фиксирует не только плавное, масштабное движение основных течений, но и бесчисленное множество более быстрых и мелких волн. Эти «шумы», обозначаемые как несбалансированные движения, включают в себя внутренние гравитационные волны и субмезомасштабные вихри, которые, являясь значимыми сами по себе, затрудняют выявление основного, геострофически сбалансированного потока – той самой «мелодии», которая представляет наибольший интерес для климатологов. Традиционные методы фильтрации, такие как преобразование Фурье, имеют существенные недостатки: они требуют непрерывных и периодических данных, что редко реализуется в реальных условиях спутниковых наблюдений из-за наличия пропусков и нерегулярных траекторий.
Для решения этой важной задачи группа ученых во главе с Такая Учидой из Университета штата Флорида использовала динамическую декомпозицию мод (DMD) – мощный и достаточно новый инструмент прикладной математики. В отличие от традиционных подходов, которые анализируют данные в терминах частот и волновых чисел, DMD решает задачу иным способом. Этот метод, основанный на принципах линейной алгебры, воспринимает последовательность снимков со спутников как серию кадров фильма и стремится выявить в них скрытые, устойчивые динамические структуры, или «моды». Каждая мода характеризуется своей пространственной формой и определенной динамикой во времени: она может затухать, усиливаться или колебаться с заданной частотой. По сути, DMD позволяет разложить сложную «кинематографию» океанской динамики на совокупность более простых «мультфильмов», что дает возможность выделить долгоживущие, медленно меняющиеся моды течений от быстрых и осциллирующих мод волн.
Для проведения исследований ученые применили усовершенствованный метод, получивший название mrCOSTS, который позволяет обрабатывать данные, охватывающие различные пространственные и временные интервалы одновременно. Чтобы подтвердить эффективность разработанного подхода, исследователи провели трехэтапную проверку. На начальном этапе метод был протестирован на идеализированной компьютерной модели, где течение и волны были четко разделены в выходных данных модели. Полученные результаты оказались практически безупречными: mrCOSTS восстановил геострофическое течение с корреляцией, превышающей 0.999. Затем задача была усложнена: метод проверили на реалистичной, детализированной численной симуляции Северной Атлантики (HYCOM50), учитывающей приливы, атмосферное воздействие и сложную топографию дна. И вновь математический фильтр показал себя с положительной стороны. Завершающим и наиболее сложным этапом стало использование реальных, содержащих помехи и неполных данных со спутника SWOT, полученных в районе Гольфстрима после его отделения от берега. Даже в таких экстремальных условиях метод смог успешно выявить крупномасштабные структуры течения и отфильтровать высокочастотные помехи, обусловленные внутренними волнами.
Такайя Учида, ведущий научный сотрудник лаборатории динамики климата МФТИ, сделал следующее заявление: «По сути, мы оснастили спутники системами, позволяющими им отфильтровывать фоновые помехи и улавливать глубокие, медленные колебания океана. Если раньше мы получали всю информацию одновременно, то теперь есть возможность отключить все элементы, кроме виолончелей и контрабасов, и услышать их звучание с исключительной четкостью. Это особенно актуально для данных, поступающих со спутника SWOT, который предоставляет карты поверхности океана с невиданной ранее детализацией. Наш подход позволяет преобразовать этот обширный объем информации в полезные сведения о процессах, влияющих на климат».
Новая методика не предполагает предварительного знания скорости течений и устойчива к неполноте данных, что представляет собой важное достоинство при анализе фактических спутниковых наблюдений. Исследования показали, что увеличение периода наблюдений положительно сказывается на точности работы метода. Сопоставляя результаты реконструкции, основанные на трех и пяти месяцах данных, ученые выяснили, что более протяженные временные ряды позволяют алгоритму эффективнее осваивать динамику системы и воспроизводить даже незначительные характеристики течений, например, асимметрию вихрей. Ярким подтверждением эффективности разработки служат иллюстрации из статьи, где «зашумленное» необработанное изображение со спутника сопоставляется с аккуратной и четкой картой течений, полученной после применения метода.
Значение этой работы простирается за пределы фундаментальных исследований океана. Точное картирование океанских течений имеет решающее значение для усовершенствования климатических моделей, поскольку именно они отвечают за перенос тепла по всей планете. Совершенствование этих моделей позволит создавать более точные долгосрочные прогнозы глобального потепления. Помимо этого, детальные карты течений необходимы для повышения точности прогнозов погоды, обеспечения безопасного судоходства, проведения поисково-спасательных операций на море, а также для понимания механизмов переноса океаном питательных веществ, загрязняющих веществ и морских организмов. В перспективе команда намерена применить свою методику к другим зонам Мирового океана, характеризующимся активной динамикой, таким как Южный океан, и использовать более продолжительные ряды данных, которые будет собирать спутник SWOT в ходе своей расширенной миссии. Это позволит не только детализировать наши представления о глобальной циркуляции, но и, возможно, извлечь из данных сведения о более сложных физических процессах, выходящих за рамки геострофического равновесия.
В научной статье, опубликованной Утидой Т., Ядидья Б., Лапо К. Э., Сюй С., Эрли Дж. Дж., Арбик Б. К. и соавторами (2025), представлен анализ динамических процессов, связанных с геострофически сбалансированными движениями, на основе данных Cal/Val миссии SWOT в области течения Гольфстрим. Статья опубликована в журнале Earth and Space Science, номер 12, под названием e2024EA004079. https://doi.org/10.1029/2024EA004079.
Материалы предоставлены Центром научной коммуникации Московского физико-технического института