научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНЕМОБАРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНЕМОБАРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ»

УДК 551.461.2.001.572(261.24)

Численное моделирование анемобарических колебаний уровня Балтийского моря

Е. А. Куликов*, И. В. Файн**, И. П. Медведев*

Рассматривается диагностическое численное моделирование процесса формирования вариаций уровня, выполненное с использованием многолетних данных об атмосферном давлении и скорости ветра над Балтийским морем. Главной целью анализа была оценка относительного вклада генерирующих факторов (переменного атмосферного давления и скорости ветра) в спектр изменчивости уровня моря. Данные о приземном ветре и атмосферном давлении над акваторией Балтики взяты из реанализа NCEP/NCAR за период 1992—2000 гг. Рассчитанные спектральные характеристики, оцененные для модельных временных рядов, хорошо согласуются с данными наблюдений. Показано, что основным фактором, определяющим изменчивость уровня моря в Балтийском море, является ветер. Так, до 80% энергии колебаний уровня моря в Финском заливе обусловлено воздействием касательных напряжений ветра.

Ключевые слова: численная модель, штормовой нагон, анемобарические колебания уровня, касательное ветровое напряжение, атмосферное давление.

1. Введение

Изменчивость уровня Балтийского моря определяется колебаниями разной природы: вызванными баротропным водообменом через Датские проливы; приливными; анемобарическими, обусловленными воздействием на поверхность моря ветра и атмосферного давления; гидрологическими, связанными с изменениями солености, температуры воды и стока рек, а также осадками и испарением воды с поверхности моря. Ранее в [4, 19] изменчивость уровня Балтийского моря было предложено разделять на два типа: внутренние и внешние колебания. Имеются в виду колебания уровня, генерируемые в пределах акватории Балтики, и индуцированные, вызванные изменениями уровня вне акватории (в Северном море). Внутренние колебания формируются преимущественно в результате воздействия на поверхность моря переменного атмосферного давления, ветра, а также вследствие вариаций плотности воды. При этом они существенно связаны с собственными свободными колебаниями (сейшами) в Балтийском бассейне.

Определенную роль в формировании низкочастотных изменений уровня Балтики может играть и бароклинный водообмен. Так называемые зато-

* Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук; e-mail: kulikove@ ocean.ru.

** Институт океанских наук, Британская Колумбия, Канада.

ки (проникновение через Датские проливы соленых североморских вод) способны вызывать значительные вариации плотности воды в Балтике, что, в конечном итоге, отражается на изменении среднего уровня моря.

Проливы, соединяющие Балтику с Северным морем (Эресунн, Малый и Большой Бельт), в работе [6] характеризуются как низкочастотный фильтр, который эффективно подавляет короткопериодные колебания, существующие в проливе Каттегат, а низкочастотные возмущения уровня проникают в Балтику практически не искаженными. Следовательно, для высокочастотных волн акватория Балтийского моря является фактически замкнутым бассейном, при этом водный обмен через юго-западные мелководные проливы существенно влияет лишь на долгопериодные вариации уровня (>20 сут). Очевидно, что одним из важных факторов, определяющих характер колебаний уровня, являются частотно-избирательные свойства акватории, обусловленные геометрией берега и батиметрией. Доминирующие собственные колебания Балтийского моря имеют период около 27—29 ч [25]. Для структуры этой моды характерно расположение ее вершины в акватории Финского залива. Поэтому можно предположить, что при формировании штормовых нагонов в Финском заливе (в частности, наводнений в Санкт-Петербурге) важную роль играют частотно-избирательные свойства бассейна [15].

Численное моделирование изменчивости уровня Балтийского моря является важным средством для прогноза наводнений в Финском заливе. Штормовые нагоны относятся к классу движений жидкости, соответствую щих при бли же нию мел кой воды. По э тому ме те о роло ги чес кий от клик уровня моря обычно хорошо воспроизводится с помощью 2Б-моделей, основанных на осредненных по глубине уравнениях движения в длинноволновом приближении [13]. Вынуждающая сила задается в виде касательного напряжения ветра

коэффициент ветрового трения.

Диссипация энергии возникающих течений обусловлена процессами, связанными с вертикальной турбулентной вязкостью. В уравнениях движения сила трения определяется величиной модуля скорости придонного течения и коэффициентом трения Сь

гд е й6 = (иь, уь) — скорость течения выше придонного пограничного слоя (для двухмерной модели полагается равной баротропной скорости и).

Вынуждающая сила, связанная с переменным атмосферным давлением, задается в уравнениях движения через градиенты полей давления Р = (1/ Р&)УРа, где ра — атмосферное давление; р — плотность морской

воды; g — ускорение свободного падения.

Проблемы адекватного воспроизведения процессов генерации штормовых нагонов связаны прежде всего с точностью задания полей ветра и атмосферного давления. В моделях, предназначенных для прогноза наводне-

(1)

(т ьх, т ьу) = (Сьиь I и ь N Сь^ь I и ь IX

(2)

ний, необходимо использовать прогностические поля атмосферного давления и ветра. Авторы работы [3] использовали метеорологические величины из модели HIRLAM Шведского гидрометеорологического института с заблаговременностью 48 ч. Очевидно, что в этом случае качество предсказания изменений уровня моря зависит не только от эффективности численной схемы, но и от точности метеопрогноза. Прогностические модели изменчивости уровня Балтики, как правило, настраиваются на наилучший прогноз на конкретном участке побережья. В этом смысле наибольший практический интерес имеет разработка технологии прогноза наводнений в Санкт-Петербурге, представляющих реальную угрозу инфраструктуре города и его историческим памятникам.

Разработка численных диагностических моделей преследует иные цели. В отдельных случаях диагностические расчеты позволяют выявить недостатки модели и источники ошибок. Так, в работе [23] показано, что для корректного воспроизведения изменений уровня моря в Рижском заливе необходимо использовать поля давления и ветра с более высоким разрешением по пространству и малым шагом по времени. В случае применения численной диагностики появляется возможность оценить роль отдельных физических составляющих и механизмов в изучаемом природном явлении. Численная модель позволяет проводить эксперименты, невозможные ни в натурных, ни в лабораторных условиях. Так, при изучении реакции на атмосферное воздействие в численной модели существует возможность исключить влияние касательных напряжений ветра, учитывая при этом только барическое воздействие. Кроме того, легко оценить относительную роль каждого из членов в уравнениях движения и пр.

В качестве примера успешного использования модельной диагностики можно привести исследование, описанное в работе [11], когда по данным численных экспериментов была установлена природа формирования доминирующих в Балтике сейшевых колебаний с периодом 27 ч. Оказалось, что период основной одноузловой сейши Балтийского моря совпадает с периодом собственных колебаний Финского залива (мода Гельмгольца).

Авторы работы [5] в рамках 2Б-версии известной модели POM (Princeton Ocean Model) с помощью метода Монте-Карло исследовали частотно-избирательные свойства Балтийского моря. Процесс генерации колебаний уровня моделировали путем воздействия на морскую поверхность случайного (переменного во времени) поля ветра, однородного по пространству. Среднее значение ветра бралось равным 0, а среднеквадрати-ческое значение каждого из компонентов составляло 3 м/с. Эта относительно простая статистическая модель позволила изучить собственные колебания уровня Балтийского моря в его акватории. Рассчитанные спектры модельных записей отклика уровня моря на такое хаотичное воздействие ветра имеют ярко выраженный пик с периодом 27—29 ч, связанный с фундаментальной одноузловой сейшей Балтийского моря.

В настоящей статье представлены результаты численного моделирования колебаний уровня Балтийского моря, вызванных воздействием на морскую поверхность полей ветра и атмосферного давления. Основной целью исследования стала оценка роли вынуждающих сил (ветра и давления) в формировании изменчивости уровня Балтийского моря.

2. Численное моделирование баротроиного отклика уровня моря, возбуждаемого воздействием иолей ветра и атмосферного давления

При моделировании колебаний свободной поверхности моря с периодами 0,01—10 сут, таких как приливы, сейши, штормовые нагоны, обычно используют приближение мелкой воды и соответственно решают уравнения движения жидкости, интегрированные по вертикали.

Авторы настоящего исследования также использовали 2Б-версию модели POM [16]. Вынуждающая сила задавалась в виде касательного напряжения ветра (1), где коэффициент ветрового сопротивления определялся по формуле, приведенной в работе [24]:

CD = (0,8 + 0,065|UJ) • 103. (3)

Для изучения колебаний уровня Балтийского моря, вызванных воздействием на морскую поверхность полей ветра и атмосферного давления, моделировались так называемые внутренние колебания, т. е. волны, возникающие непосредственно в акватории Балтики, и с периодами меньше 20 сут. Фактически процесс представляет собой воспроизведение фоновой изменчивости уровня моря, включающей собственные колебания бассейна, а также случаи штормовых нагонов.

В работе [4] показано, что внешние колебания уровня моря из пролива Каттегат проникают в Балтику сильно ослабленными: для периода 10 сут их амплитуда уменьшается в 10 раз. Это означает, что модель для замкнутого Балтийского бассейна, в которой не учитывается водообмен через Дат ские проли вы, впол не адек ват но вос про из водит внут рен ние коле ба ния с периодами меньше 10—20 сут.

В модели использовались данные о батиметрии Балтийского моря GEBCO с разрешением одна минута. Проливы Эресунн, Малый и Большой Бельт были искусственно перекрыты. Расчеты выполнялись на сетке с равномерным шагом по широте и долготе и разрешением Ах = 2' и Ау = 2'. На рис. 1 показаны расчетная

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком