ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 239-250
УДК 551.468
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ ТЕЧЕНИЙ В ОТКРЫТЫХ АКВАТОРИЯХ ОКЕАНА НА ПРИМЕРЕ РАЙОНА ГАВАЙСКИХ ОСТРОВОВ
© 2008 г. В. Г. Бондур,* Р. А. Ибраев**, Ю. В. Гребеншк*, Г. А. Саркисян***
*Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос" 105064 Москва, Гороховский пер., 4 E-mail: vgbondur@online.ru **Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: ibrayev@inm.ras.ru ***Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997 Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail: sarkis@inm.ras.ru Поступила в редакцию 10.11.2006 г., после доработки 03.10.2007 г.
Исследуются поля течений в открытых акваториях с применением математической модели гидродинамики океана на примере района Гавайских островов. Модель, основанная на трехмерных уравнениях термогидродинамики, решается для области с открытыми границами, на которых ставятся адаптивные граничные условия. Анализируются результаты численных экспериментов с заданными среднемесячными климатическими условиями на поверхности океана и открытых боковых границах с учетом приливов М2, К1. Сравнительный анализ решений модели с данными наблюдений показал, что модель способна реалистично воспроизвести средние характеристики состояния океана и их изменчивость. В модельных решениях для исследуемого региона выявлен направленный на север поток в верхнем слое океана. Он четко проявляется в осредненных полях. Характеристики осредненных течений показали, что между островами Гавайи и Мауи, Молокай и Оаху в верхнем 100-150-метровом слое существует перенос вод с западной стороны на восточную сторону гряды островов. Полученные результаты и предложенная модель могут использоваться при мониторинге физических полей океана.
ВВЕДЕНИЕ
При мониторинге различных физических полей океана наряду с использованием современных технических средств, в том числе аэрокосмических, важную роль играют методы математического моделирования [1]. Эти методы могут эффективно применяться для исследования физики океана, оценки антропогенных воздействий на его акватории, для прогнозирования распространения загрязнений под воздействием различных факторов (течений, ветра, диффузии и т.п.), для анализа возможных сценариев развития этих процессов при вариации гидрометеорологических условий, а также для оценки последствий таких воздействий на состояние акваторий. Для решения этих задач важно осуществлять моделирование циркуляции вод в открытых акваториях.
В настоящей работе представлены результаты моделирования поля течений вокруг Гавайских островов. Такого рода исследования необходимы для решения ряда прикладных задач, связанных с экономической деятельностью на шельфе островов. Работы проводились в рамках международного проекта по комплексному мониторингу антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий Гавайского архипелага [2].
Цель данной работы - во-первых, построение модели основных характеристик крупно- и синоптического масштаба изменчивости течений в районе Гавайских островов, во-вторых, выделение квазипостоянных и изменчивых во времени течений. Успешное моделирование полей течений вокруг островов должно обеспечивать разрешение динамики синоптических вихрей, струйных течений на склоне шельфа и между островами, а также воспроизведение вертикальной структуры термо-халинных полей. В силу практической невозможности проведения расчетов с горизонтальным разрешением около 1-10 км с использованием модели всего Тихого океана, модель в районе Гавайских островов строилась для небольшой области с открытыми границами. Влияние океанических крупномасштабных факторов на циркуляцию вод в районе островов учитывалось через изменение термохалинных условий на открытых границах.
1. ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования в настоящей работе являются открытые акватории океана. В каче-
стве примеров выбраны акватории в середине Тихого океана в районе Гавайских островов.
Архипелаг Гавайских островов, являющихся вершинами подводного Гавайского хребта, расположен в центральной части Тихого океана. Крупномасштабные особенности циркуляция в районе островов определяются тем, что эта область находится на северной периферии направленного на запад Северного пассатного течения (СПТ) [3, 4]. К востоку от о-ва Гавайи СПТ разделяется: северная ветвь становится Северным течением Гавайского хребта (North Hawaiian Ridge Current), и направлено оно на северо-запад вдоль Гавайского хребта. Это течение интенсифицируется вдоль островов, ширина его составляет 75-100 км, скорость поверхностного течения относительно горизонтов 100400 дбар составляет 0.45 м/с [5]. В работах [6, 7] на основании натурных измерений было показано, что на течение вдоль Гавайского хребта значительное влияние оказывают мезомасштабные вихри. Считалось, что нет доказательства существования постоянного течения вдоль хребта. Однако долговременные наблюдения над течениями на разрезе севернее о-ва Оаху с использованием измерителей скорости ADCP [8, 9] показали, что Северное течение Гавайского хребта существует. Средняя скорость в ядре течения, находящемся в подповерхностном слое на горизонте 40-90 м, достигает 0.17 м/с, затем с глубиной значительно падает. Временны е ряды показали, что скорость течения сильно изменчива.
Поток СПТ при обтекании Гавайских островов в полосе от 18° до 22°N деформируется. Средняя скорость течения в СПТ на широте 13°N составляет 0.17 м/с, к югу от Гавайских островов скорость СПТ достигает 0.25 м/с [10].
Более подробный обзор ранних работ по динамике течений в этом районе приводится в работе [11]. Было обнаружено большое количество относительно небольших циклонических вихрей к западу, которые распадаются в подветренной стороне о-ва Гавайи. Описаны также антициклонические вихри, большие по размеру, чем циклонические, встречающиеся к югу от о-ва Гавайи. Вихри перемещаются в западном направлении. Подтверждением этого может служить траектория дрифтера 6873, запущенного по программе WOCE [12]. Этот дрифтер равномерно двигался со скоростью 0.10-0.15 м/с в западном направлении. После прохождения южной оконечности о-ва Гавайи он оказался захваченным антициклоническим вихрем с диаметром около 100 км. Вихрь перемещался в западном направлении со скоростью около 0.06 м/с.
Анализ траекторий антициклонических вихрей, возникающих при огибании СПТ о-ва Гавайи с юга, выполненный по данным космической альтиметрии TOPEX/Poseidon показал, что вихри в начальный период двигаются в западном, юго-запад-
ном направлении, затем при достижении 180°W, как правило, движутся в северо-западном направлении [13]. Существует достаточно четкая граница к западу от о-ва Гавайи между областями, где преобладают циклонические вихри (к северу), и областями с антициклоническими вихрями (к югу) [11]. На схеме осредненных поверхностных течений к западу от островов существуют два вытянутых в зональном направлении вихря, отделенных друг от друга Гавайским подветренным противотечением (Hawaiian Lee Counter Current) расположенным на 19°N и простирающимся от 170° до 158°E (см. рис. 1).
Гавайское подветренное противотечение, являющееся границей циклонической - антициклонической пары вихрей на карте осредненных течений, проявляется как результат суперпозиции распространяющихся на запад вихрей, генерируемых в подветренной стороне Гавайских островов.
В настоящей работе осуществляется моделирование полей течений в районе Гавайского архипелага с использованием математической модели гидродинамики океана.
2. МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ ОКЕАНА
Численная модель, используемая в данной работе - это модель гидродинамики океана со свободной поверхностью, основанная на полных, нелинейных уравнениях геофизической гидродинамики в приближениях гидростатики, Буссинеска и несжимаемости жидкости [15, 16, 17] (см. Приложение).
Состояние гидродинамики океана описывается трехмерными функциями температуры, солености, компонент скорости течений, а также двумерной функцией высоты поверхности уровня моря. Для решения задачи реконструкции крупномасштабной циркуляции океана в работах [18, 19, 20] была разработана модель гидродинамики моря. В последующей версии в модель гидродинамики внутреннего моря [21] были включены описание процессов взаимодействия приводного пограничного слоя атмосферы и поверхности моря, описание процессов переноса влаги через поверхность раздела атмосфера-океан и их влияния на процессы опреснения/осолонения поверхностного слоя воды, более развитая параметризация процессов турбулентного обмена.
3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Ставится задача воспроизвести изменчивость циркуляции вод в открытой акватории на примере района Гавайских островов при изменяющихся условиях на поверхности океана и на открытых границах области, включая фактор приливов.
Область, описываемая моделью, охватывает район вокруг Гавайских островов и ограничена ко-
Рис. 1. Карта осредненных поверхностных течений в районе Гавайских островов, построенная на основе анализа доступных измерений скоростей течений [14].
ординатами 170о,№-150о,№, 15°К-25°К. Горизонтальное разрешение сетки 4' х 4' (около 7.5 х 7.5 км) позволяет описать только 8 крупных островов, крупные океанические вихри и течения между островами. По вертикали используется 21 горизонт. Они располагаются на глубинах 2, 6, 10, 15, 25, 35, 45,55,65, 80, 100, 125, 150, 200, 400, 750, 1100, 1500, 2000, 3000, 4000 метров. Максимальная глубина океана составляет 4500 метров. При построении модельной топографии использовались данные из массива ЕТ0Р02 [22].
Пространственный масштаб синоптических не-однородностей в исследуемой области определяется в частности бароклинным радиусом Россби, который вне зоны западного пограничного слоя островов равен приблизительно 60 км [9]. Очевидно, что используемое горизонтальное разрешение позволяет описывать синоптические вихри, а также струйные течения шириной более 30-40 км.
Начальное условие в модели - состояние покоя и многолетние среднемесячные распределения температуры и солености. Уравнения модели интегрируются до достижения квазипериодического
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.