научная статья по теме ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ ЧЕРНОГО И АЗОВСКОГО МОРЕЙ С ВАРИАЦИОННОЙ ИНИЦИАЛИЗАЦИЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОЛЕНОСТИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ ЧЕРНОГО И АЗОВСКОГО МОРЕЙ С ВАРИАЦИОННОЙ ИНИЦИАЛИЗАЦИЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОЛЕНОСТИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 6, с. 699- 716

УДК 551.465

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ ЧЕРНОГО И АЗОВСКОГО МОРЕЙ С ВАРИАЦИОННОЙ ИНИЦИАЛИЗАЦИЕЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ И СОЛЕНОСТИ © 2013 г. В. Б. Залесный*, **, А. В. Гусев*, **, С. Н. Мошонкин*

*Институт вычислительной математики РАН 199333 Москва, ул. Губкина, 8

E-mail: zalesny@inm.ras.ru ** Институт океанологии РАН 117997Москва, Нахимовский просп., 36 Поступила в редакцию 28.01.2013 г., после доработки 20.03.2013 г.

Представляется численная модель гидродинамики Черного и Азовского морей, основанная на системе примитивных уравнений в ст-координатах. Модель имеет разрешение ~4 х 4 км по горизонтальным координатам, 40 ст-уровней по вертикали и включает четырехмерную вариационную инициализацию полей температуры и солености. Численный алгоритм инициализации основан на комбинации методов расщепления и сопряженных уравнений. Проведены расчеты полей течений, уровня моря, температуры и солености при заданном атмосферном воздействии за 2008 г. Расчеты проведены в режиме "вариационная инициализация — прогноз". В начале каждого месяца производится инициализация полей температуры и солености. Система оптимальности включает линеаризованные на интервале ассимиляции прямые и сопряженные уравнения переноса-диффузии тепла и соли. Обсуждаются результаты трех численных экспериментов с разными массивами ассимилируемых данных в сравнении с прогностическим расчетом прямой модели.

Ключевые слова: гидродинамика моря, мезомасштабная изменчивость, численное моделирование, вариационная ассимиляция.

Б01: 10.7868/8000235151306014Х

ВВЕДЕНИЕ

Развитие моделей, описывающих динамику водных объектов, особенно интенсивно происходит в течение последних 20—30 лет в физическом, математическом и информационном аспектах [1—8]. Для информационного обеспечения проблемы создаются новые вычислительные методы и измерительные системы, включая спутниковую альтиметрию, плавающие буи ЛЯОО, дрифтеры и др. Разработка эффективных методов решения сложных задач океанологии тесно связана с проблемой обработки данных наблюдений. С их помощью проводится тестирование расчетных алгоритмов, дается оценка адекватности разработанных моделей. К настоящему времени в Институте вычислительной математики Российской академии наук (ИВМ РАН) и Институте океанологии (ИО РАН) разработано несколько новых моделей. Это — модель динамики Мирового океана, используемая в глобальной климатической модели ИВМ РАН [6], модели отдельных океанов и морей, включая Черное и Азовское [7, 8]. Отме-

тим, что прототипом модели циркуляции Черного и Азовского морей явилась модель Мирового океана [8]. В настоящее время ставится задача расширения области применения моделей. Требуется использовать их как для решения прямых, так и обратных задач, включая четырехмерную ассимиляцию данных наблюдений [9].

Для моделирования и прогноза циркуляции Черного моря к настоящему времени создано несколько численных моделей — см. обзор в [10], а также [4, 5]. В рамках проекта "Черное море как имитационная модель океана" при сравнении результатов расчетов мы опираемся на модель, разработанную в Морском гидрофизическом институте Национальной академии наук Украины (МГИ НАНУ) [2, 3].

С физической точки зрения особенность динамики Черного моря связана с его большой, океанской глубиной и относительно небольшим горизонтальным размером. Глубина открытой части Черного моря составляет около 2 км, а горизонтальный размер — порядка 1000 км. Из оценки

климатического вертикального градиента плотности следует, что радиус Россби в Черном море составляет 20—30 км [10]. Он достаточно велик, чтобы воспроизвести мезомасштабную изменчивость Черного моря, на сетке с шагом порядка 4 км. Это можно сделать, не прибегая к мощным вычислительным системам. В этой связи акватория Черного моря является удобным "тестовым бассейном" для апробации различных физических параметризаций и вычислительных алгоритмов.

Нашей основной задачей является разработка физически гибкой модели с эффективными устойчивыми алгоритмами. С помощью модели необходимо решать как прямые прогностические задачи, так и обратные, в том числе задачи четырехмерной ассимиляции данных наблюдений. Основным методологическим приемом при этом является метод многокомпонентного расщепления [8, 12, 13]. Метод несет две основных нагрузки: во-первых, он позволяет экономично решить задачу по времени, во-вторых — построить гибкую, иерархически развиваемую информационно-вычислительную систему [8, 14, 15]. Суть метода состоит в представлении сложной системы в виде набора отдельных более простых подсистем [7, 8]. Для каждой подсистемы можно построить сопряженный аналог, что необходимо для решения задач четырехмерной ассимиляции данных наблюдений. Особенностью и новизной модели ИВМ РАН является то, что ее решение основано на сочетании методов расщепления и сопряженных уравнений. Сочетание методов позволяет построить эффективную технологию решения задач динамики морей и океанов с четырехмерной вариационной ассимиляцией данных наблюдений [11].

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ ЧЕРНОГО И АЗОВСКОГО МОРЕЙ

Модель гидродинамики Черного и Азовского морей основана на системе примитивных уравнений, записанных в сферической системе координат с учетом приближений гидростатики и Бусси-неска. В качестве вертикальной координаты в модели используется безразмерная переменная сте [0,1]:

а = ^,

н-с

где г — направленная вниз обычная вертикальная координата, Н — глубина моря, ^ — отклонение уровня моря от его невозмущенного состояния.

Уравнения модели записываются в симметризо-ванной форме и имеют вид [8]:

Dtu - H(l + £)v = -—

Рогх

- я(pдZ - Zдр

2 \ дх дх

I (2Zp| -

+1 Avdu + Duu, H да да u

(1)

Dtv + H (I + =

Pory

.1 (' - 2Zpi -

pdZ _ z dP

dy dy

, 1 д ,,dv , n +---v--+ Duv,

H da da

-d(p -—Zp) = я(pdZ - z,

da'P 2

dt rxry

JL (Hryu) + f (Hrxv) дх dy

2\ 5a

d

5a,

+ d^ = 0, da

DT = X dvT й! + DT + , H da da da

DtS = ——v S — + DSS, t H da da

p = p (T, S, Z) -

- p (t + T, s + S, P о -z ) - p (T, S, Po -z ).

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

Здесь x — долгота, y — широта, rx, ry — метрические коэффициенты: rx = RE cos y, ry — Re , Re — радиус Земли; Z = Ha,

, »Л . s 1 (dry drx l = 2D. sin y, q =- —- v--x

Vy Удх dy

(8)

I — параметр Кориолиса, О — угловая скорость вращения Земли. Б, — оператор переноса, записанный в симметризованной форме:

Аф-Dt (и)ф = H 1

dt 2rxry

я

дХ{Щщ)

Hryu + (Hrv ф) + Hrv дф

dx dy dy_

(9)

д ( \ , дф —(шф) + ш—

.да да.

и = (и, V, ю) — вектор скорости в а-системе координат, ю — скорость в а-системе, w — вертикальная скорость в г-системе,

ю = w -

(1 u dZ + V dZ

dt rx dx ry dy

(10)

Т, Б — отклонения потенциальной температуры и солености от средних значений Т, Б, Я — поток проникающей солнечной радиации, р — отклонение плотности, V, vT, vS — коэффициенты вертикальной турбулентной вязкости и диффузии. Для

расчета V, vT, vS можно использовать один из трех методов, изложенных в [16], [17], [18]. Для расчета плотности в (7) используется уравнение состояния, учитывающее сжимаемость воды [19].

Оператор боковой диффузии БТ, Бб для тепла и соли в ст-системе координат записан в форме, эквивалентной горизонтальной диффузии в 1-си-стеме координат. Он выбирается одинаковым для Т, Б и имеет вид

На дне океана а = 1:

пу = — ±

гхгу дх

КХН — ду д//дх ду дх д//да да)_

А

ГхГу да

К^хнГу.д//дх (дуу - д//дх ду гх д//да\дх д//дада)_

1 5

ГхГу ду

Н—(ду - д//ду дУ

'у V

ду д//да да)

(11)

А

ГхГу да

куНГх д//ду (ду д//ду ду) гу д//да^ду д//дада)

где Кх(х, у, аН) и Ку(х, у,оН) — коэффициенты горизонтальной диффузии вдоль х и у. Оператор турбулентной вязкости Ви, П в (1), (2) представляет собой комбинацию операторов 2-го и 4-го порядков [21]. Уравнения (1)—(7) решаются в области Е (х, у, а), аппроксимирующей акваторию Черного и Азовского морей.

Граничные условия для (1) — (7) следующие. На поверхности океана а = 0:

__У5м =Тх = Ту ю = 0

Н да р0 Н да р0

кхН д//дх (дТ - д//дх дТ г2 д//д студх д// дст дст^

куН д//ду (дТ - д//ду дТ гу д//да у ду д//да да

да + Чт (Т - ТоЬв ) = ,

Н да

кхН д//дх (дБ - д//дх дБ г2 д// д студх д//дст дст

(12)

куН д//ду (дБ - д//ду дБУ гу д//дст^ду д//дст дстJ

- дСТ + У б (Б - Б*, ) = ^.

Н дст

Здесь тх, т у — компоненты ветра, уТ, у Б — заданные коэффициенты, дТ — нормированный суммарный поток тепла, дБ — нормированный суммарный поток солености.

V ди п \

---= Сп^!

Н да

2 2 2 и + V + еЬи,

V ду ^ I 2 , 2 п

---= Спу1и + V + еЬ^, ш = 0

Н да

_±КхН д/1 дх (дТ д// дх дТ

_ Л КуН-

д//да ^ дх д//да да д//ду (дТ д/1 ду дТ\ + Ут дТ _

д//да^ду д//да да) Н да

_ ± КхН д//дх (дБ _ д/1 дх дБ

(13)

д/]да\дх д//да да д//ду (дБ _ д//ду д^ Vб дБ _

1

/ I / _0,

д//да\ду д//да да) Н да

где Сп = 2.5 х 10 , еЬ = 5 см/с — эмпирические константы. На боковой границе для скорости задаются условия непротекания и свободного скольжения, потоки тепла и соли равны нулю. К уравнениям (1) — (13) присоединяются начальные условия для функций и, V, Т, Б.

2. ЧИСЛЕННЫИ АЛГОРИТМ

Численный алгоритм решения задачи основан на методе многокомпонентного расщепления [12, 13]. Запись уравнений (1)—(7) в симметризо-ванной форме позволяет использовать алгоритм расщепления по физическим процессам и по отдельным пространственным координатам х, у, а

[8, 22]. На каждом интервале г' < г < г'+1 уравнения для функций и, ч,Т, Б линеаризуются и расщепляются по физическим процессам на два макроэтапа: перенос-диффузию и, v,T,Б и адаптацию полей течений и плотности. Внутри этапа переноса-диффузии производится повторное расщепление по отдельным координатам х, у, а. При решении уравнений адаптации используется представление

и = и + и, V = V

+ V, и = |иёа, V = |vda (14)

и выделяется расчет средних скоростей по вертикали и, V. Пространственная аппроксимация расщепленных задач производится на сетке В.И. Лебедева [23], известной в метеорологической литературе как сетка С. Более подробно алгоритм численного решения поставленной задачи изложен в [8].

х

х

3. АТМОСФЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ П

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