ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 1, с. 91-106
УДК 551.465.52
ЛАГРАНЖЕВ АНАЛИЗ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И ПЕРЕНОСА ВОД
В МОРСКИХ ЗАЛИВАХ
© 2013 г. С. В. Пранц*, В. И. Пономарев*, М. В. Будянский*, М. Ю. Улейский*, П. А. Файман**
*Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская, 43 URL: htpp://www.dynalab.poi.dvo.ru E-mail: prants@poi.dvo.ru **Дальневосточныйрегиональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт.
690600 Владивосток, ул. Фонтанная, 24 Поступила в редакцию 08.07.2011 г., после доработки 13.10.2011 г.
Развит лагранжев подход для изучения перемешивания и переноса пассивной примеси в морских заливах и бухтах, основанный на использовании методов теории динамических систем. Этот подход применяется для исследования горизонтального перемешивания и переноса вод в заливе Петра Великого Японского моря с использованием поля скорости прогностической численной гидродинамической модели циркуляции синоптического масштаба. Показано, что такие лагранжевы характеристики, как максимальный накопленный показатель Ляпунова, время нахождения частиц в заливе, их относительные смещения, число циклонических и антициклонических вращений позволяют описать движение вод, характер перемешивания и степень его хаотичности в заливе. Карты числа посещений частицами различных районов залива позволяют при интегрировании уравнений адвекции вперед и назад во времени выявить коридоры выноса частиц из залива и коридоры их проникновения в залив соответственно.
Ключевые слова: Лагранжев анализ, перемешивание, перенос, залив Петра Великого, Японское море.
Б01: 10.7868/80002351513010082
1. ВВЕДЕНИЕ
Горизонтальное перемешивание и перенос вод с различными биофизико-химическими свойствами являются важными динамическими процессами в океане, определяющими состояние и изменчивость морской среды. Естественным математическим инструментом для описания перемешивания и переноса является лагранжев подход, в котором рассчитываются траектории жидких частиц и таким образом прослеживается происхождение вод с данными характеристиками, их перенос и перемешивание в исследуемом морском бассейне. Перемешивание в океане на субсиноптических, синоптических и более крупных масштабах, будучи неоднородным, похоже на то, что в теории динамических систем называется хаотическим перемешиванием в фазовом пространстве, в котором капля фазовой жидкости при определенных условиях сильно деформируется, многократно вытягиваясь и складываясь. Причем такое неоднородное хаотическое перемешивание возможно в совершенно регулярных эйлеровых полях скорости. Подобную сложную
картину с многочисленными интрузиями, фила-ментами и пятнами на синоптических и субсиноптических масштабах можно видеть на спутниковых снимках температуры и цвета поверхности океана. Применение методов и идей теории динамических систем и хаоса для описания горизонтального перемешивания и переноса в океане имеет сравнительно недавнюю историю [1—10]. Перемешивание в морских заливах и бухтах является более неоднородным по сравнению с открытыми бассейнами из-за сложной структуры течений и вихрей различных масштабов, сильных приливов и отливов и других процессов.
Целью настоящей работы является разработка новых средств лагранжева анализа в морских заливах и их применение для исследования горизонтального перемешивания и переноса вод в заливе Петра Великого Японского моря, поле скорости в котором получено в численных экспериментах с вихреразрешающим вариантом модели крупномасштабной циркуляции моря. Подчеркнем, что развитая в статье методика применима для любых морских бассейнов, поле скорости в которых яв-
128° 130° 132° 134° 136° 138° 140° 142°
Рис. 1. Рельеф дна Японского моря и выделенная расчетная область численных экспериментов моделирования синоптической вихревой динамики.
ляется численно заданным, полученным с помощью гидродинамической модели, по альтиметрии или другим измерениям.
2. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО И ПРИЛЕГАЮЩЕЙ ЧАСТИ ЯПОНСКОГО МОРЯ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ
Залив Петра Великого, будучи самым крупным в Японском море заливом, имеет различные по масштабу мелководные заливы, эстуарии трех наиболее крупных рек, острова, проливы, широ-
кий внешний шельф и крутой материковый склон, являющийся частью склона самой глубокой (до 3550 м) — Центральной (Японской) котловины моря (рис. 1). Речной сток, максимальный в теплый период года, приводит к формированию верхнего распресненного слоя вод и сезонного халоклина, который наряду с сезонным термоклинном образует хорошо выраженный скачок плотности на нижней границе верхнего перемешанного слоя, заглубляющегося к концу теплого периода года за счет перемешивания и вовлечения нижележащих вод. В холодный период года этот слой заглубляется за счет термо-халинной конвекции, в том числе соленостной
конвекции при льдообразовании в мелководных частях залива.
Структура вод и система течений в заливе подвержена значительному влиянию речного стока, ветра, потоков тепла и соли на поверхности воды, бароклинных эффектов и рельефа дна, а также течений открытого моря. Важное влияние на водообмен между заливом и глубокой частью моря оказывают циклоническая циркуляция над Японской котловиной и Приморское течение, несущее холодные воды с северо-востока вдоль кромки шельфа Приморья, а также синоптические вихри и стримеры (струйные течения синоптического масштаба) между этим течением и берегом. Во второй половине теплого периода года и в зимний сезон существенную роль играют относительно теплые струйные течения и вихри, образующиеся в юго-западном пограничном районе залива и прилегающей части глубокого моря, граничащей с северо-западным субарктическим фронтом. Муссонный характер атмосферной циркуляции и значительная синоптическая изменчивость ветра приводят к разномасштабным вариациям стратификации, системы течений и элементов синоптической вихревой и волновой динамики в заливе и прилегающей части глубокого моря. При анализе спутниковых изображений выявлены перемещающиеся на юго-запад антициклонические вихри [11], их усиление и ослабление в пределах метеорологического синоптического периода, а также наличие циклонических вихрей — сателлитов субсиноптического масштаба [12]. Сложная береговая линия, существенно неоднородный рельеф дна, разномасштабные вихревые и волновые процессы создают существенные трудности для адекватного моделировании циркуляции синоптического масштаба. Поэтому выбрана модель, позволяющая использовать наиболее реалистичные рельеф дна и береговую линию при относительно невысоком горизонтальном и вертикальном разрешении.
Для расчета нестационарной системы течений в заливе и прилегающей части Японского моря использовалась численная квазиизопикническая гидродинамическая модель циркуляции океана
[13], адаптированная к условиям Японского моря
[14]. Модель основана на системе примитивных уравнений с кинематическим граничным условием для вертикальной скорости, условиями баланса тепла и соли на поверхности океана, условием прилипания и отсутствия потоков тепла и соли на его дне. Численные эксперименты проводились с горизонтальным разрешением 2.5 км для района, показанного на рис. 1. Вертикальное разрешение соответствует десяти квазиизопикническим слоям, восемь из которых расположены в главном пикноклине моря. Первый, верхний квазиоднородный по вертикали слой, взаимодействует с атмосферой. Последний десятый слой аппрокси-
мирует слой глубинных вод, который в данных численных экспериментах считается однородным по вертикали. Учитывался реалистичный рельеф дна. Внешние метеорологические условия задавались из базы данных глобального метеорологического реанализа (NCEP/NCAR Reanalysis http://www.cdc.noaa.gov) с суточным разрешением. Используемые средние суточные метеорологические поля реанализа усреднялись для каждых суток каждого года за многолетний период с 1980 по 2005 гг.
Циклонический круговорот над Японской котловиной и Приморское течение обусловлены крупномасштабным воздействием ветра. Образование же синоптических вихрей в море вызвано, как правило, не прямым воздействием завихренности напряжений трения ветра на масштабе радиуса деформации Россби, а гидродинамической неустойчивостью. Поэтому отличия в пространственном разрешении модели циркуляции и заданных внешних полей метеорологического ре-анализа в задаче лагранжева анализа перемешивания и переноса вод в теплый период года с учетом бароклинной вихревой динамики синоптического масштаба считаются допустимыми.
Начальные поля температуры и солености, заданные на изопикнических поверхностях, получены на основе анализа океанографических СТД съемок всего моря летом 1999 г. [15]. Для исследования вихревой динамики и хаотической адвекции в районе залива Петра Великого и прилегающего района глубокого моря используются результаты интегрирования модели в летний и осенний периоды года, когда нелинейные баро-клинные эффекты наиболее выражены, а синоптические вихри хорошо проявляются в контрастах поля температуры поверхности моря как в модели циркуляции, так и на спутниковых изображениях.
Численные эксперименты с минимизированными коэффициентами горизонтальной и вертикальной вязкости показали наличие вихрей и стримеров синоптического масштаба (10—60 км). В течение короткого времени (порядка суток) вдоль северо-западного континентального шельфа и склона Центральной глубоководной котловины моря формируется цепочка антициклонических вихрей. Спутниковые изображения таких вихрей приведены в работе [9]. Эти вихри перемещаются со скоростью около 2—3 см/с на юго-запад в потоке, средняя скорость которого в верхнем перемешанном слое составляет 8—10 см/с, а средняя по глубине скорость Приморского течения в главном пикноклине — 2—3 см/с. Антициклонические вихри синоптического масштаба, образующиеся над кромкой шельфа и крутого склона Японской котловины восточнее залива Петра Великого, также распространяются вниз по тече-
нию вдоль кромки шельфа. Эти вихри, достигая района залива, как правило, захватываются ег
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.