УДК 551.465.5
КРАТКОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2013 г. А. A. Кордзадзе, Д. И. Деметрашвили
Институт геофизики им. М. Нодиа Тбилисского государственного университета им. Ив. Джавахишвили
0171 Грузия, Тбилиси. ул. М. Алексидзе, 1 E-mails: akordzadze@yahoo.com, demetr_48@yahoo.com Поступила в редакцию 10.01.2013 г., после доработки 14.02.2013 г.
На основе анализа результатов моделирования и прогноза основных гидрофизических полей в юго-восточной части Черного моря за 2010—2012 гг. исследуются особенности внутригодовой изменчивости региональных циркуляционных процессов в этой части бассейна. Прогноз гидрологического режима производится на основе региональной прогностической системы, разработанной в Институте геофизики Тбилисского государственного университета им. Ив. Джавахишвили, в сотрудничестве с океанографическими центрами причерноморских стран в рамках международных научно-технических проектов Евросоюза ARENA и ECOOP. Региональная система является одним из компонентов системы диагноза и прогноза Черного моря в масштабах всего бассейна. Анализ материала, накопленного за отмеченный период, показывает, что юго-восточная акватория Черного моря представляет собой динамически активную зону, где непрерывно происходит формирование разных циркуляционных процессов, значительно отличающихся друг от друга.
Ключевые слова: численная модель, граничные условия, ситема уравнений, гидротермодинамика, поле течений, вихревое образование.
DOI: 10.7868/S0002351513060096
ВВЕДЕНИЕ
Изучение и прогноз гидротермодинамических процессов в Черном море является одним из основных вопросов океанографии Черного моря. Состояние морской экосистемы, распространение и трансформация разных загрязняющих веществ, биохимические процессы, протекающие в морском бассейне и т.д. во многом зависят от пространственно-временного распределения гидротермодинамических характеристик моря (течение, температура, соленость, плотность). Поскольку Черное море и атмосфера создают единую гидротермодинамическую систему, динамические процессы моря в значительной степени влияют и на распределение климатических характеристик в черноморском регионе [1, 2].
Благодаря работе, выполненной в рамках международных научно-технических проектов Евросоюза ARENA и ECOOP, нами накоплен значительный объем результатов моделирования и 3-х дневных прогнозов динамических процессов, развивающихся за 2010—2012 гг. в юго-восточной части Черного моря. Анализ этого матеряла способствует лучшему пониманию механизмов формирования и эволюции гидротермодинамических процессов в одном из динамически актив-
ных регионов Черного моря и обогащению наших знаний об этих процессах.
Моделирование и прогноз региональных циркуляционных процессов производится на основе региональной прогностической системы, разработанной нами, в рамках вышеупомянутых проектов [3—5]. Эта система является одним из компонентов общей системы диагноза и прогноза Черного моря в масштабах всего бассейна [6, 7]. Ядром региональной системы является региональная модель динамики Черного моря Института геофизики им. М. Нодиа (г. Тбилиси) [4, 5], которую в дальнейшем в тексте будем называть РМ-ИГ. Она вставлена в модели общей циркуляции Черного моря [8] Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины, г. Севастополь). РМ-ИГ базируется на модель динамики Черного моря [9], которая адаптирована к юго-восточной части морского бассейна с одновременным повышением горизонтальной разрешающей способности от 5 км до 1 км. Следует отметить, что сама эта модель является усовершенствованной версией модели [10—14].
Основной целью настоящей статьи является исследование особенностей внутригодовой из-
30 35 40
Рис. 1. Региональная область моделирования и прогноза.
«
S Я
g
ft С
м 3
Прогностические поля течения, температуры и солености в юго-восточной части Черного моря с разрешением 1 км
Рис. 2. Схема функционирования региональной системы прогноза.
менчивости региональных динамических процессов за 2010—2012 гг.
2. РЕГИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРОГНОЗА
Региональная область моделирования и прогноза ограничена Кавказской и Турецкой береговыми линиями и западной жидкой границей, сов-
падающей примерно с меридианом (39.08° E), проходящим около г. Туапсе (рис. 1).
На рис. 2 представлена схематическая картина функционирования региональной системы прогноза, основанная на РМ-ИГ. Все необходимые входные данные поступают из МГИ НАН Украины в оперативном режиме через ftp сайт.
Входными данными являются: трехмерные начальные поля компонентов скорости течения, температуры и солености; двумерные поля этих же величин на жидкой границе; двумерные метеорологические поля: потоки тепла, атмосферные осадки, испарение и тангенциальное напряжение трения ветра на поверхности моря.
Условия на жидкой границе представляют собой рассчитанные прогностические значения по модели общей циркуляции МГИ НАН Украины, а метеорологические поля на верхней границе являются прогностическими полями, полученными по региональной модели динамики атмосферы ALADIN [15].
РМ-ИГ основана на полной системе уравнений гидротермодинамики океана, записанной в декартовой системе координат для отклонений термодинамических величин от соответствующих стандартных значений. В модели учитываются: рельеф морского дна и конфигурация бассейна, атмосферное воздействие, речной сток рек Риони и Енгури, поглощение поверхностным слоем моря суммарной солнечной радиации, пространственно-временное изменение коэффициентов горизонтальной и вертикальной турбулентной вязкости и диффузии. Коэффициенты горизонтальной турбулентной вязкости и диффузии рассчитываются в процессе интегрирования по формуле, предложенной в [16], а коэффициенты вертикальной диффузии — по формуле, полученной в монографии [17].
Для решения системы уравнений модели используется двуциклический метод расщепления по физическим процессам, координатным линиям и вертикальным плоскостям, в результате которого решение основной задачи сводится к решению совокупности сравнительно простых двумерных и одномерных задач [10, 14, 18]. Для аппроксимации всех расщепленных задач используется конечно-разностная схема, при этом для аппроксимации по времени — схема Кранка—Николсона. В целом, схема является энергетически сбалансированной, обладает вторым порядком точности аппроксимации по времени и пространственным переменным и является абсолютно устойчивой.
3. ВЕРИФИКАЦИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ МОРЯ
Функционирование региональной системы прогноза проверялось в 2005 г., когда впервые для черноморского региона был осуществлен пилотный эксперимент по функционированию оперативной системы диагноза и прогноза состояния Черного моря с участием всех причерноморских стран в рамках проекта ARENA. Сопоставление результатов рассчитанных прогнозов с натурными данными показало способность РМ-ИГ на-
дежно предсказывать гидрофизические поля в Грузинской прибрежной зоне Черного моря [19]. В настоящее время у нас имеется возможность провести сопоставление рассчитанных температур поверхности моря со спутниковыми изображениями поверхностной температуры, полученными со спутников МОАА (сайт "Морской портал НКАУ", http://dvs.net.ua/mp). Анализ сопоставления показывает хорошее качественное и количественное совпадение прогностических и измеренных температурных полей, в большинстве точек погрешность не превосходит 0.6°—0.8°С [4].
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
РМ-ИГ использует сетку, имеющую 215 х 347 точек, с горизонтальным разрешением 1 км. По вертикали вводится неравномерная сетка с 30-ю расчетными уровнями на глубинах: 2, 4, 6, 8, 12, 16, 26, 36, 56, 86, 136, 206, 306, ..., 2006 м. Временной шаг равняется 0.5 ч.
Регулярные расчеты региональных прогнозов за 2010—2012 гг. показывают, что юго-восточная часть Черного моря, включающая Грузинскую акваторию, представляет собой динамически активную зону. Здесь развиваются циркуляционные процессы, которые характеризуются значительной внутригодовой изменчивостью.
На рис. 3—6 показаны рассчитанные поля поверхностного течения с сентября 2011 г. по август 2012 г. При этом для каждого месяца подобраны три картины циркуляции, которые являются более характерными для соответствующего месяца.
4.1. Осенняя циркуляция
Главным элементом сентябрьской циркуляции 2011 г. является антициклонический вихрь с диаметром примерно 100—120 км (хорошо известный Батумский антициклонический вихрь), который формировался в юго-западной части рассмотренной области (рис. 3а—3в). Структура этого вихря претерпевает некоторые изменения и к концу месяца в значительной степени уменьшается в размерах. Кроме этого вихря с середины сентября можно наблюдать формирование второго антициклонического вихря сравнительно меньших размеров, который подвергается определенным изменениям. Вдоль Кавказского берега формируется узкая зона с шириной примерно 20—25 км, которая характеризуется интенсивным образованием малых береговых неустойчивых вихрей, время существования которых приблизительно 3—4 дня. Трансформация циркуляционного режима продолжается в течение октября (рис. 3г— 3е). К концу октября для циркуляционной картины характерно отсутствие доминирующего направления и присутствие нескольких малых за-
N 44.0
43.5
Гагра
РМ-ИГ 6.09.2011, 00:00 GMT X = 0 м, итах = 26 см/с
N 44.0 4
РМ-ИГ 16.09.2011, 00:00 GMT X = 0 м, итах = 32 см/с
N 44.0
43.5 -
РМ-ИГ 27.09.2011, 00:00 GMT : = 0 м, итах = 35 см/с
39.5 40.0 40.5 41.0 41.5Е
39.5 40.0 40.5 41.0 41.5Е
39.5 40.0 40.5 41.0 41.5Е
N 44.0
43.5
43.0
42.5
42.0
41.5
41.0
N 44.0
(г)
РМ-ИГ : 7.10.2011, 00:00 GMT
~ X = 0 м, итах = 35 см/с „.у.-Сота
- Гагра
Гл: - Сухуми
шшш.
шшшшшшш
N 44.0
(д)
РМ-ИГ 17.10.2011, 00:00 GMT X = 0 м, итах = 38 см/с
Поти
N 44.0
РМ-ИГ 28.10.2011, 00:00 GMT , х = 0 м, итах = 65 см/с
Сухуми
Поти
Поти
39.5 40.0 40.5 41.0 41.5Е (ё)
РМ-ИГ 6.11.2011, 00:00 GMT X = 0 м, итах = 65 см/ - Сочи
Гагра
Сухуми
N 44.0
39.5 40.0 40.5 41.0 41.5Е (ж)
Поти
РМ-ИГ 15.11.2011, 00:00 G
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.