ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 1, с. 127-144
УДК 551.468
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ПРИЛИВА В БАБ-ЭЛЬ-МАНДЕБСКОМ ПРОЛИВЕ КРАСНОГО МОРЯ
© 2008 г. А. А. Андросов*' **, Н. Е. Вольцингер**
*Институт полярных и морских исследований им. Альфреда Вагнера ул. Хандельсхафен, 12,27570, Бремерхавен, Германия E-mail: Alexey.Androsov@awi.de **Санкт-Петербургский филиал Института океанологии РАН 199053 Санкт-Петербург, В О., 1 -fl линия, 30 E-mail: voltzin@gk3103.spb. edu Поступила в редакцию 28.02.2007 г.
Для моделирования бароклинного прилива в Баб-эль-Мандебском проливе Красного моря решается трехмерная краевая задача в гранично-согласованных координатах для уравнений динамики, кон-ституентов плотности и характеристик турбулентности. Приводятся результаты, относящиеся к моделированию баротропного прилива в Красном море и внутреннего прилива в Баб-эль-Мандебском проливе.
1. ВВЕДЕНИЕ
Общие сведения. Красное море - узкий длинный бассейн, протяженностью около 2000 км при средней ширине ~280 км - расположено между Африкой и Аравийским полуостровом. На севере через Суэцкий канал оно соединяется со Средиземным морем, на юге - с Аденским заливом Аравийского моря. Топографической особенностью Красного моря является глубоководный осевой желоб с максимальной глубиной свыше 3000 м при средней глубине моря около 440 м (рис. 1а).
В южной части Красного моря расположен Баб-эль-Мандебский пролив, через который по срединному желобу осуществляется водообмен моря с Аденским заливом (рис. 16). Длина пролива ~150 км, глубина в средней части ~300 м, площадь поперечного сечения в самой узкой части у о. Перим около 3 км2. К северу пролив расширяется до 40 км; здесь, у о. Хениш находится порог, препятствующий свободному водообмену через пролив. Наименьшая глубина пороговой зоны, которую должны преодолевать глубинные воды, составляет 137 м, ширина в сечении порога около 110 км. Глубина пролива на юге, в Перимской узкости, около 180 м, ширина ~20 км. Наличие глубокого желоба шириной около 6 км в узком проливе определяет его крутую шельфовую структуру с глубинами менее 50 м [1, 2].
Географическое положение Красного моря как межматерикового бассейна и единственного прямого судоходного пути, связывающего Средиземноморье с окраинной зоной Индийского океана, определяет его особое коммуникационное, геополитическое и экономическое значение. Вместе
с тем даже и в настоящее время отмечается относительно слабая изученность не только Красного моря в целом, но и его важнейшего структурного элемента - Баб-эль-Мандебского пролива, по сравнению с другими наиболее значительными проливами Мирового океана [2, 3].
Баротропный прилив; обзор. В сложной картине физических процессов в Красном море баротропный прилив является наиболее простым и ясным ее фрагментом. Основные закономерности наблюдаемого прилива, объясненные и в развернутой форме представленные Дефантом [4], сводятся к следующему.
Приливы в Красном море носят выраженный полусуточный характер. Доминирующая волна М2 имеет три узловые линии: южнее Асэба, у Порт-Судана и за входом в Суэцкий залив. В окрестности узловых линий происходит быстрое изменение фаз и проявляется суточный тип колебаний. В суточном приливе доминирует волна Кь имеющая узловую линию между о. Камаран и Массауа. Величина прилива на севере ~1 м, на юге - около 0.6 м.
Приливные колебания уровня в Баб-эль-Мандебском проливе имеют смешанный характер, подвергаясь влиянию приливов Красного моря и проявляясь в форме соколебаний с приливами Аденского залива. Амплитуда колебаний уменьшается от ~2 м на границе с заливом до ~1 м у Хе-нишского порога. Приливные течения также испытывают колебания полусуточного и суточного характера.
Вытянутая форма моря допускает простейшую возможность моделирования прилива на основе численного интегрирования одномерной
30°К
28°К
26°К
24°К
22°К
14.5°М г
Хенишский порог Хенишские острова
20°К
3Е 34°Е 36°Е 38°Е 40°Е 42°Е 44°Е 46°Е 48°Е 50°Е 52°Е Рис. 1. а - Карта Красного моря. б - Карта Баб-эль-Мандебского пролива.
краевой задачи для уравнений мелкой воды. В такой постановке расчет для волны М2 впервые выполнил Дефант в 1918 г., применив метод Штер-нека, когда разделение переменных использует их тригонометрическое представление. Интересно, что даже в таком приближении удалось получить в целом удовлетворительное согласование вычисленных и наблюденных амплитуд и фаз в ряде пунктов за исключением зон узловых линий. Однако для ответа на более сложные вопросы приливной динамики требуется использование современных вычислительных средств и методов. Такая двумерная модель нелинейной баротроп-ной приливной динамики Красного моря, реализуемая в области, содержащей около 4 х 104 узлов с сеточным разрешением в проливе 0.2 ~ 2 км, предложена лишь недавно [5]. Данные наблюдений в сети станций для оценки точности расчетов были получены по целевой программе БэМ проект - 1997 [6]. Результаты, относящиеся к особенностям приливных карт отдельных гармоник, остаточной циркуляции, оценке составляющих энергетического баланса и пр. позволили устано-
вить ясную и подробную картину баротропной приливной динамики в проливе.
Для расчета приливных колебаний уровня моря двумерная постановка краевой задачи не является ограничением. Как известно, внутренние волны даже большой амплитуды, проявляющиеся как колебания изолиний гидрологических характеристик, влияют на уровень весьма слабо. Однако стратификация и ее взаимодействие с ба-ротропным приливом могут существенно влиять на структуру поля течений. В [2] отмечается, что приливные течения содержат бароклинную компоненту с неизвестными характеристиками, количественно сопоставимую с водообменом через пролив. Таким образом, модель пролива, претендующая на полноту описания, должна содержать совместный расчет взаимодействующих приливных и термохалинных течений.
Гидрологический режим и внутренняя динамика пролива. В самых общих чертах гидрологический режим Баб-эль-Мандебского пролива выглядит следующим образом.
Глубинный водообмен совершается по срединному желобу. Основными факторами водообмена являются плотностные течения, обязанные разности плотностей вод Красного моря и Аденского залива, соленость которых различается на 1-1.5%е, и дрейфовые течения, подчиненные мус-сонному характеру ветров над акваторией. Зимой в регионе пролива господствуют нагонные 88Е-ветры и дрейфовый вток поверхностных вод из Аденского залива балансируется глубинным вы-током более соленых вод из Красного моря. Летом северо-западные муссонные ветры вызывают апвеллинг так называемых Промежуточных вод Аденского залива, которые движутся в Красное море, тогда как поверхностное дрейфовое и глубинное течения направлены из Красного моря в залив. Таким образом, зимой режим течений имеет двухслойную структуру, а летом - трехслойную. При этом промежуточный и глубинный слои характеризуются высокой пространственно-временной изменчивостью. В среднем, годовой выток вод Красного моря колеблется от 0.6 8у на зимнем пике до 0.1 8у на пике летом. Оценка летней интрузии Аденских Промежуточных вод в Красное море составляет 0.22 8у [6, 7, 8].
По-видимому, первая бароклинная модель на основе численного решения трехмерной краевой задачи предложена в [9]; модель использовала стандартную программу интегрирования уравнений в изопикнических координатах и позволила воспроизвести основные черты сезонного водообмена. Результаты расчета структуры термохалин-ных течений в годичном цикле приведены в [10]; трехмерная модель использует переход к гранично-согласованным координатам и численную реализацию краевой задачи в форме композиционных схем для расщепленных операторов. Обе эти модели воспроизводят только гидрологический режим и не учитывают влияние баротропного прилива, который не меняя описанную квазистационарную ситуацию, но взаимодействуя с термо-халинными течениями, отчетливо и существенно сказывается на внутренней динамике пролива.
В теоретических работах по изучению проливов рассматривалась роль одного или нескольких схематизированных факторов в его внутренней динамике. Для этого использовались решения редуцированных одномерных уравнений, их обобщения и балансные соотношения. Такому плодотворному направлению теория приливов обязана установлением общих закономерностей водообмена в двухслойной жидкости при наличии препятствий, понятию гидрологического контроля, определяющего условия частичной изолированности одного из морей, соединяемых проливом, условием максимального водообмена, генерации внутренних волн и пр. Развитие и обзор этих результатов содержится в работах [11, 12, 13].
Ограничения редуцированных моделей выражаются среди прочего в несоответствии принятых допущений реальным условиям в Баб-эль-Мандебском проливе. Предположение о существовании поверхностей раздела, на которых динамические и гидрологические характеристики терпят разрыв, является идеализацией. В действительности структура полей скорости и плотности не имеет выраженного слойного характера, скорость меняется непрерывно, а плотность, относительно равномерная в придонных и поверхностных слоях, непрерывно меняется между ними. Это делает неопределенной локальную оценку фазовой скорости, которая в этих условиях содержит эффект перемешивания, и тем самым вопрос о существовании гидравлического контроля остается открытым. Контроль может быть разбросан в промежуточных слоях, а при значениях числа Ричардсона ниже критического его вообще трудно установить [14, 15]. Такой перемежающийся характер течений в средней части водного столба обязан квазирегулярному внутреннему приливу, возбуждаемому воздействием внешнего прилива - баротропному форсингу - на режимный гидрологический фон.
Внутренний прилив. Внутренний прилив проявляется в периодических, близких к синусоидальным, колебаниях изолиний океанологических характеристик. Амплитуда таких колебаний, зависящая от стратификации, рельефа дна, течений и других локальных факторов, изменяется по высоте. Внутренний прилив генерируется внешним ба-ротропным приливом и сохраняет его частоты, хотя это не обяза
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.