ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 1, с. 84-96
УДК 551.465
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЯПОНСКОГО МОРЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ДОЛГОПЕРИОДНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ПЕРИОД 1958-2006 гг.
© 2014 г. Д. В. Степанов1, 2, Н. А. Дианский3, В. В. Новотрясов1* 4
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская, 43 E-mail: step-nov@poi.dvo.ru 2Владивостокский государственный университет экономики и сервиса 690014 Владивосток, ул. Гоголя, 41 3Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8.
4Дальневосточный федеральный университет 690950 Владивосток, ул. Суханова, 8 Поступила в редакцию 12.09.2012 г., после доработки 01.03.2013 г.
С помощью модели общей циркуляции океана, разработанной в ИВМ РАН, выполнено воспроизведение отклика циркуляции Японского моря (ЯМ) в период 1958—2006 гг. на реалистичное атмосферное воздействие, рассчитанное по данным CORE [1]. По результатам численного моделирования проведено изучение особенностей межгодовой изменчивости циркуляции в промежуточном и глубинном слоях центральной части ЯМ. Для этого выполнены расчеты пространственно-временной изменчивости относительной завихренности. Рассчитаны частотные спектры ее изменчивости на горизонтах 500, 800 м и средней по слою между указанными горизонтами. Спектры имеют квазидискретную структуру с максимумами, расположенными в окрестности периодов 4—5 лет, 7 и 10 лет. Установлено совпадение между соответствующими этим периодам частотами и ранее выявленными частотами межгодовой изменчивости натурного поля температуры в промежуточном слое ЯМ во второй половине ХХ века.
Ключевые слова: численное моделирование, Японское море, циркуляция вод, изменчивость, завихренность.
DOI: 10.7868/S0002351513050143
1. ВВЕДЕНИЕ верхностном слое ЯМ. В серии работ [8, 9] анализируется поле течений в отдельных районах моря.
Циркуляция вод Японского моря (ЯМ) и ее изменчивость служат предметом интенсивных на- Сравнительно немного работ посвящено ана-учных исследований (программы CREAMS I, II, лизу пространственно-временной изменчивости ФЦП "Мировой океан" и т.д.). На основе числен- поля скорости в промежуточном и глубинном ных расчетов [2], а также данных натурных на- слоях ЯМ. На основе данных, полученных на не-блюдений [3, 4] выявлены главные факторы, от- многочисленных глубоководных станциях, ча-ветственные за формирование пространственно- стично реконструирована схема крупномасштаб-временной структуры циркуляции ЯМ. При ис- ной циркуляции вод в глубинном слое моря. В ра-следовании ее изменчивости в большинстве ра- ботах [2, 3] установлено, что основным фактором, бот ограничиваются рассмотрением приповерх- определяющим крупномасштабную структуру ностного слоя моря, используя данные альтимет- поля скорости в промежуточном и глубинном рии и температуры поверхности моря. В работах слоях, выступает неоднородность рельефа дна. [5, 6] получен спектр изменчивости указанных Он характеризуется наличием глубоководных полей на межгодовых и декадных масштабах. В котловин на севере (Центральная котловина) и работе [7] представлены результаты численного юге (бассейн Улунг и котловина Ямато), разде-моделирования межгодовой изменчивости цир- ленных поднятием Ямато, сосредоточенным в куляции вод и термохалинных полей в припо- центральной части ЯМ (см. рис. 1). При анализе
Рис. 1. Топография дна Японского моря с характерными особенностями: ЦК — Центральная (Японская) котловина; КЯ — котловина Ямато; БУ — бассейн Улунг (Цусимская котловина) и ПЯ — поднятие Ямато по данным ЕТ0Р02.
данных глубоководных буев А^СЕ, в районе поднятия Ямато выявлена заметная интенсификация мезомасштабной изменчивости поля скорости [3, 10].
В настоящей работе с помощью численной модели океана ШМОМ [11] моделируется отклик циркуляции вод в промежуточном и глубинном
слоях ЯМ на атмосферное воздействие с 1958 по 2006 гг. Поскольку интерес представляла долгопериодная изменчивость циркуляции центральной части ЯМ, учет приливов, играющих важную роль лишь в прибрежных районах моря, не проводился. Выполнено сравнение спектров изменчивости относительной завихренности на горизонтах 500,
800 м и средней по слою между указанными горизонтами относительной завихренности. Установлена близость частот наиболее энергоемких вариаций относительной завихренности с частотами изменчивости аномалий температуры, полученными ранее при анализе данных наблюдений этого поля в промежуточном слое ЯМ [5, 13]
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ И ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для воспроизведения циркуляции вод ЯМ и ее изменчивости применялась модель океана ШМОМ [11, 12]. В основе модели лежит полная система нелинейных уравнений гидротермодинамики океана, записанная в сферических координатах в приближениях гидростатики и Буссинеска. В качестве вертикальной координаты используется безразмерная величина а, задаваемая соотношением
г - ц(к ф, 0
Н(Х,ф) -п&ф 0'
где г — обычная вертикальная координата, Н(Х, ф) — глубина океана в невозмущенном состоянии, Ф, 0 — отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности, X — долгота, ф — широта. Прогностическими переменными служат горизонтальные компоненты вектора скорости, потенциальная температура (далее температура), соленость и отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности.
Главная особенность модели ШМОМ, которая отличает ее от других моделей океана, заключается в том, что при ее численной реализации используется метод расщепления [14] по физическим процессам и пространственным координатам. Он дает возможность эффективно реализовывать неявные и обладающие малой диссипативностью полунеявные схемы интегрирования по времени, которые позволяют использовать шаг по времени в несколько раз больший, чем в моделях океана, основанных на явных схемах, с аналогичными пространственным разрешением и коэффициентами вязкости и диффузии [15]. Это дает возможность использовать ШМОМ, в том числе для воспроизведения с высоким пространственным разрешением климатической изменчивости циркуляции отдельных акваторий Мирового океана в расчетах на продолжительные (до 50 лет) времена [16].
Уравнения гидротермодинамики океана записываются в специальной, симметризованной форме [11, 14]. Она позволяет представить оператор дифференциальной задачи в виде суммы более простых операторов, каждый из которых является неотрицательным в норме, определяемой законом сохранения полной энергии. Это дает возможность расщепить оператор полной задачи
на разностном уровне на ряд более простых и построить для них пространственные центрально-разностные аппроксимации так, чтобы закону сохранения энергии, выполняющемуся для исходной задачи, удовлетворяли все расщепленные дискретные задачи. Разностные аппроксимации по геометрическим координатам выполнены на "С"-сетке по классификации Аракавы, которая, однако, впервые была предложена Лебедевым [14]. Компоненты горизонтального градиента давления, обусловленные возмущениями плотности, рассчитываются с использованием уравнения гидростатики в специальной форме [12], которая позволяет уменьшить погрешности при их разностных аппроксимациях в ст-системе координат.
Для более точного описания процессов динамики океана оператор боковой диффузии второго порядка для тепла и соли представлен в форме, эквивалентной горизонтальной диффузии в обычной ^-системе координат [12]. В уравнениях движения сохранен обычный для ст-моделей вид боковой вязкости, действующей вдоль ст = const поверхностей. Кроме этого, использовался оператор боковой вязкости четвертого порядка, который позволил уменьшить коэффициенты вязкости второго порядка и коэффициенты горизонтальной диффузии для температуры и солености и тем самым повысить адекватность расчетов модели.
В INMOM инкорпорирована модель динамики и термодинамики морского льда [17], учет которых необходим при моделировании циркуляции в бассейнах, находящихся в зоне высоких широт.
Для расчета циркуляции ЯМ использовались предварительно сглаженные данные топографии и береговой черты из ETOPO2. Начальные поля температуры и солености задавались в соответствии с данными Левитуса [18] с одноградусным горизонтальным разрешение гидрологических полей и вертикальным разрешением, заданным на 33 стандартных океанографических горизонтах.
Сеточное разрешение модели выбиралось с таким расчетом, чтобы учесть влияние на крупномасштабную динамику вод моря процессов мезо-и синоптического масштабов и задавалось равным 1/10° по долготе и широте. По вертикали задавалось 15 ст-уровней, неравномерно распределенных по глубине для более точного описания деятельного слоя моря. Исходные данные по температуре, солености и топографии дна интерполировались на эту сетку.
Параметризация процессов турбулентного обмена подсеточного масштаба проводилась с использованием операторов второго и четвертого порядков с коэффициентами для вязкости 2 х 10 м2/с и 3.2 х 1010 м4/с соответственно, а коэффициенты горизонтальной диффузии тепла и соли выбирались равными 4 х 102 м2/с. Коэффициенты верти-
кальной вязкости и диффузии задавались согласно параметризации Монина-Обухова, как функции сдвига скорости и стратификации: коэффициент диффузии изменялся с фонового значения 5 х х10-6 м2/с до 5 х 10-3 м2/с, а коэффициент турбулентной вязкости от фонового значения 1 х 10-4 м2/с до 7 х 10-3 м2/с. Шаг интегрирования по времени, исходя из устойчивости решения, выбирался равным 6 минутам.
Параметры атмосферного воздействия задавались в соответствии с базой данных CORE (Forcing for Common Ocean-ice Reference Experiments) [1]. Пространственное разрешение данных составляет 1.875° по долготе и неравномерное по широте от 1.905° на экваторе до 1.887° вблизи полюсов. Данные собраны за период 1958 по 2006 годы и включают следующие величины: температуру и влажность воздуха, а также скорость ветра на высоте 10 м и давление на уровне моря — временное разрешение этих величин составляет 6 ч; падающую радиацию (длинно- и коротковолновую) — временное разрешение 1 сут. Кроме этого база CORE включает данные "нормализованного года" (среднес
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.