ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 392-412
УДК 551.465.45
ИЗУЧЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВОД ЯПОНСКОГО МОРЯ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ КЛИМАТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОЛЕНОСТИ GDEM
© 2008 г. Г. А. Платов, Е. Н. Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН 630090 Новосибирск, просп. Лаврентьева, 6 E-mail: plat@ommfao.sscc.ru E-mail: elen@ommfao.sscc.ru Поступила в редакцию 18.01.2007 г., после доработки 29.01.2008 г.
В данной работе рассматриваются гидрологические характеристики вод Японского моря на основе данных климатического распределения температуры и солености GDEM [1]. С помощью региональной численной модели изучается динамика этих вод, подробно исследуется картина формирования и распространения промежуточных вод Японского моря. На основе численного моделирования устанавливается, что процесс формирования и дальнейшего распространения промежуточных вод можно разбить на три этапа. Первый связан с накоплением значительного запаса воды со свойствами, близкими к типу промежуточных вод в окрестности залива Петра Великого. На втором этапе происходит проникновение этих вод в промежуточные слои, наступающее вследствие развития глубокой конвекции в зимний период в присутствии зимнего муссона. Третий этап, наступающий при ослаблении субполярного фронта, приводит к их распространению на юг в направлении бассейнов Улунг и Ямато, а также к рециркуляции части этих вод в рамках северного круговорота.
ВВЕДЕНИЕ
Изменчивость гидрологических характеристик окраинных морей имеет ярко выраженный характер. Атмосферное влияние сезонного и синоптического масштабов усиливается здесь из-за близости суши, которая, с одной стороны, имеет температуру, изменяющуюся в более широких пределах, а с другой, снабжает прибрежные районы большим количеством стоковых пресных вод. Это несколько усложняет задачу классификации вод по сравнению с открытым океаном.
В отсутствии взаимодействия с атмосферой физические свойства частицы воды могут измениться только в результате перемешивания с частицами другого происхождения и поэтому с отличающимися свойствами. Без перемешивания частицы воды сохраняют свою температуру и соленость неизменными, поэтому из гидрологических характеристик температура и соленость являются наиболее пригодными для определения водных масс и их распределения.
В данной работе мы рассмотрим гидрологические характеристики вод Японского моря на основе данных климатического распределения температуры и солености - вБЕМ и с помощью региональной численной модели восстановим динамику этих вод. В частности, более подробно будет исследована
картина формирования и распространения промежуточных вод Японского моря (ПВЯМ).
Сезонный и главный термоклины в Японском море расположены очень близко к поверхности, и поэтому большую часть моря занимают почти однородные воды с температурой ниже 1-го градуса, известные под аббревиатурой JSPW (Japan Sea Proper Water). Судо [2] и Сенжю и Судо [3], анализируя вертикальные разрезы, полученные в окрестностях бассейна Улунг, обнаружили некоторую неоднородность, присутствующую в вертикальном распределении потенциальной температуры и концентрации растворенного кислорода. Водная масса, расположенная в слое 200-400 м ниже цусимских вод, формирует здесь минимум солености (<34.06%е) и была названа промежуточными водами Японского моря (ПВЯМ). Плотность этих вод находится в пределах 26.9 < ае < 27.3.
Доминирующей особенностью циркуляции Японского моря (рис. 1) является субполярный фронт (СПФ). Он расположен примерно на широте 40°N и разделяет бассейн Японского моря на две части: южную часть, в основном находящуюся под влиянием ответвлений Цусимского течения (восточно-корейское течение (ВКТ), прибрежное течение и промежуточная ветвь), и северный круговорот (Ли-манское течение и северо-корейское течение (СКТ)). Воды, составляющие СПФ, частично вытекают из Японского моря в Тихий океан через Сан-
Широта
52-
50-
48
46-
44-
42-
40-
38-
36-
34-
Глубина, км
0.1 0.5
Сев. Корея
128 130 132 134 136 138 140 142
Долгота
Рис. 1. Схема циркуляции на поверхности Японского моря. Обозначения на карте: СПФ - субполярный фронт, СКТ - северо-корейское течение, ВКТ - восточно-корейское течение, ПВ - промежуточная ветвь, ПЯ - поднятие Ямато, СЗ - северо-западная часть, ЯБ - японский бассейн, БУ - бассейн Улунг, БЯ - бассейн Ямато. Пунктирные стрелки обозначают подповерхностные течения, участвующие в формирования поясов солености вдоль побережья Приморья.
гарский пролив, тогда как оставшаяся часть устремляется на север, поставляя теплые и соленые воды в систему северного круговорота. Поворачивая далее на запад и перемещаясь вдоль широты 44°^ эти воды формируют теплый и соленый пояс вдоль приморского побережья, начиная от острова Хоккайдо на востоке и до 131°E на западе. Эти воды текут параллельно с вдольбереговым холодным Лиманским течением на расстоянии 50-100 км от берега (верхняя пунктирная стрелка на рис. 1) на глубине примерно 200 м, постепенно охлаждаясь в процессе их взаимодействия с прибрежными водами. Согласно Обри и др. [4], именно в процессе охлаждения этих водных масс на протяжении всего пути от Хоккайдо до северо-западного региона формируются промежуточные воды Японского моря. Повышенная концентрация кислорода у этих вод, очевидно, указыва-
ет на то, что эти воды были сформированы вблизи поверхности и проникли вниз благодаря зимней конвекции где-то к северу от СПФ. Ярко выраженный термоклин на глубине 200 м является границей между теплыми цусимскими водами на поверхности и ПВЯМ [5, 6].
2. ДАННЫЕ GDEM И АНАЛИЗ ВОДНЫХ МАСС
Набор данных GDEM [1], включающий в себя среднемесячные поля температуры и солености, был получен как результат осреднения многолетнего ряда измерений для каждого месяца. Первоначальным источником этих данных является архив MOODS (Master Oceanographic Observation Data Set), включающий в себя около 7-ми миллионов наблю-
дений по всему миру. Нами он используется для того, чтобы в численной модели задавать начальные условия и условия на жидких границах (в проливах). Кроме того, эти данные используются в процедуре усвоения, описанной далее в статье.
Качество данных GDEM таково, что не позволяет получать динамическую картину течений с помощью простых вычислений, основанных, например, на геострофических соотношениях. Гидростатическая вертикальная неустойчивость, вызванная неустойчивой стратификацией, имеет место для целого ряда районов при рассмотрении вертикального распределения потенциальной плотности. Особенно чувствительны к таким включениям глубинные слои ниже 500 м, где даже малые отклонения от гидростатики, вследствие недостаточного вертикального разрешения на этих глубинах, при моделировании могут приводить к серьезным динамическим последствиям, связанным с чрезмерно интенсивной конвекцией. Поэтому применение таких данных должно сопровождаться разумными оценками того, каким значениям величин можно доверять в большей, а каким в меньшей степени.
В этой связи можно выделить два возможных подхода для проведения таких оценок, в основе которых лежит идея фильтрации Калмана (см., например, ссылки в работе [7]) и вариационный метод [8, 9].
Общепринятая система усвоения данных представляет собой цикл прогноз-анализ [10]. В этой системе прогноз по математической модели берется в качестве первого приближения для численного анализа, после чего рассматриваются не абсолютные значения полей, а их отклонения от этого первого приближения [11].
В последнее время такие системы усвоения, основанные на цикле прогноз-анализ, совершенствуются с привлечением общей вариационной постановки задачи и использованием сопряженной модели для минимизации соответствующего функционала, на основе известных результатов теории оптимального управления [10]. В то же время в ряде работ рассматривается постановка задачи усвоения данных в терминах теории оценивания с привлечением алгоритма фильтра Калмана [12]. Следует заметить, что задачи оптимального управления и оптимальной фильтрации связывает принцип двойственности и, кроме того, существуют алгоритмы совместного оценивания и управления процессом [10]. Алгоритм усвоения, основанный на фильтре Калмана, естественным образом обобщает системы усвоения, представляющие собой цикл прогноз-анализ [10]. По существу к этому циклу добавляется процедура расчета ковариаций ошибок оцениваемых полей. В то же время этот алгоритм требует больших машинных ресурсов и в своей полной постановке не может быть реализован в настоящее время даже на суперЭВМ, так как для современных
моделей порядок ковариационных матриц составляет десятки тысяч. Кроме того, при определенных условиях фильтр Калмана может расходиться со временем. Определенные математические и вычислительные трудности привели к тому, что задача четырехмерного анализа реализуется ценою упрощения термогидродинамической части задачи [7], что нежелательно. Тем не менее применимость теории фильтра Калмана к задаче усвоения данных в настоящее время исследуется многими авторами. В частности, возможно применение так называемых субоптимальных алгоритмов фильтра Калмана, использующих на шаге вычисления ковариаций ошибок прогноза упрощенные модели [11].
В данной работе мы использовали более простой, хотя и достаточно грубый, способ усвоения данных (см., например, [13]) для того, чтобы получить хотя бы в первом приближении более полную и реалистичную картину циркуляции вод в бассейне Японского моря, не изменяя при этом коренным образом саму численную модель и сохраняя возможность проведения больших серий численных экспериментов в приемлемые сроки.
Основную часть водных масс Японского моря составляют глубинные воды JSPW, указанные ранее. Верхняя часть этих вод, более подверженная сезонным изменениям имеет аббревиатуру UJSPW (Upper Japan Sea Proper Water). Помимо поверхностных вод, непосредственно контактирующих с нижним слоем атмосферы, выделяются также промежуточные воды с пониженной и повышенной соленостью. Первые, которые нами уже уп
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.