ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 1, с. 107-123
УДК 551.446.7
О ВЛИЯНИИ БЕЛОГО МОРЯ НА ПРИЛИВЫ В СОСЕДНИХ ОКРАИННЫХ МОРЯХ СЕВЕРО-ЕВРОПЕЙСКОГО БАССЕЙНА © 2013 г. Б. А. Каган*, Е. В. Софьина*, Э. Х. А. Рашиди**
*Санкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН 199053 Санкт-Петербург, 1-я линия, 30 **Российский государственный гидрометеорологический университет
195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98 E-mails: kagan@ioras.nw.ru, sojjina_k@mail.ru, akbarrashidi@gmail.com Поступила в редакцию 17.05.2011 г., после доработки 26.12.2011 г.
Исследование взаимодействия поверхностных М2 приливов в системе окраинных морей СевероЕвропейского бассейна производится в рамках трехмерной конечно-элементной гидростатической модели QUODDY-4. С этой целью выполнены три численных эксперимента. В первом из них (контрольном) уравнения модели решаются в системе Норвежского, Гренландского, Баренцева и Белого морей и тем самым взаимодействие приливов в этих морях учитывается непосредственно. Во втором Белое море считается отсутствующим и на входе в него ставится условие непротекания. В третьем эксперименте используется подход, когда на открытой границе Белого моря задаются наблюдаемые приливные колебания уровня, определяющие существование конечного горизонтального переноса баротропной приливной энергии в Белое море. Показано, что изменения динамики приливов, представленные изменениями амплитуд и фаз приливных колебаний уровня и параметров эллипсов баротропной скорости приливного течения, во втором и третьем экспериментах по сравнению с контрольным не выходят за пределы уровня шума модели. Напротив, изменения энергетических характеристик (горизонтального волнового переноса, плотности и скорости диссипации баротропной приливной энергии) получаются одинаковыми или большими по порядку величины, нежели сами по себе эти энергетические характеристики.
Ключевые слова: Поверхностные М2 приливы, соседние водоемы, численные эксперименты, Севе-ро-Европейский бассейн.
Б01: 10.7868/80002351512060053
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно (см., например, [1]), что поверхностный М2 прилив в Белом море индуцируется волной Кельвина, распространяющейся из Баренцева моря. Суперпозиция этой волны с отраженной волной Кельвина, вызванной частичным отражением приходящей волны от входа в Горло Белого моря и на выходе из него, приводит к образованию в Горле амфидромии левого вращения (с вращением изофаз против часовой стрелки). В зависимости от степени отражения приходящей волны центр этой амфидромии либо смещается относительно направления распространения волны в сторону Зимнего берега, либо располагается на нем. В последнем случае об ам-фидромии говорят как о вырожденной. В сравнительно глубоководном Бассейне Белого моря, а также в Кандалакшском и Двинском заливах пространственная структура поверхностного М2 прилива определяется наложением прогрессивной
волны Кельвина и стоячей волны Пуанкаре, происходящим в окрестности Летнего и Карельского берегов Белого моря.
Об обратном влиянии Белого моря на приливы в окраинных морях Северо-Европейского бассейна известно гораздо меньше. Единственные два упоминания того, что отказ от описания приливов в Белом море способствует заметной реорганизации поля плотности приливной энергии и, стало быть, поверхностных приливов в соседних морях, содержится в [2, 3]. В цитируемых работах было установлено, что такой отказ приводит к двухкратному увеличению амплитуд и трансформации фаз поверхностного прилива, сопровождающихся смещением амфидромии в Карском море. Какой-либо иной информации о роли Белого моря в формировании поверхностных приливов в других окраинных морях Северо-Европейского бассейна, лежащих ближе к Северной Атлантике как источнику генерации поверхностных полусуточных приливов, нам найти не удалось. Неволь-
Рис. 1. Конечно-элементная сетка системы окраинных морей Северо-Европейского бассейна и названия географических объектов в ней. Черные кружки — станции береговых, островных и глубоководных измерений уровня, косые крестики — станции измерений скорости.
но складывается впечатление, что Белое море не оказывает влияния на приливы в этих морях. Цель настоящей работы заключается в том, чтобы с помощью специальным образом спланированных численных экспериментов проверить, так ли это и если нет, то выяснить, как именно интересующее нас влияние проявляется.
2. СПЕЦИФИКА ИСПОЛЬЗУЕМОЙ МОДЕЛИ
За основу была принята трехмерная конечно-элементная гидростатическая модель риОВПУ-4. Ее подробная документация и описание используемого метода интегрирования уравнений модели содержится в [4]. Поэтому во избежание повторений мы ограничимся лишь перечислением источников, где необходимая информация представлена, и указанием параметров модели применительно к условиям Норвежского, Гренландского, Баренцева и Белого морей.
В рассматриваемой модели базисные и пробные функции дискретизируются простыми приз-
матическими конечными элементами с горизонтальным разрешением, варьирующим от ~1 км вблизи береговой линии континента и островов до ~83 км в открытых частях морей (соответствующая конечно-элементная сетка изображена на рис. 1). По вертикали моря делятся на 40 слоев переменной толщины со сгущением слоев в придонном слое. Шаг по времени задается равным 2.2 с, приливная частота — совпадающей с частотой гармоники М2. Поле глубин заимствуется из банков данных 1ВСАО для Норвежского, Гренландского и Баренцева морей и ЕТОРО-5 для Белого моря. Если приливные колебания уровня на входе в Белое море задаются, они находятся линейной интерполяцией значений в пунктах мыс Канин Нос и губа Восточная Лица, расположенных по обе стороны от входа в Белое море. На открытой границе исследуемой области (рис. 1) приливные колебания уровня задаются по результатам моделирования, полученным с использованием высокоразрешающей арктической приливной модели [5]. Последняя ассимилирует всю
имеющуюся эмпирическую информацию, включая данные альтиметрических измерений со спутников TOPEX/Poseidon и ERS. Коэффициенты горизонтальной турбулентной вязкости и диффузии рассчитываются по известной формуле Сма-горинского [6]. Напряжение придонного трения параметризуется квадратичным законом сопротивления с коэффициентом сопротивления, равным 0.005. Предполагается также, что рассматриваемая система окраинных морей свободна от льда. Это предположение обосновывается тем, что влияние морского льда на поверхностные приливы в Северном Ледовитом океане пренебрежимо мало, во всяком случае, в первом приближении [3, 7].
Модельные уравнения в приближении нестра-тифицированного моря, включающие обобщенное волновое уравнение для приливных колебаний уровня и трехмерные эволюционные уравнения для фактической скорости приливного течения, определяемой как сумма баротропной (усредненной по вертикали) и бароклинной (отклонение от нее) составляющих, и для характеристик турбулентности, фигурирующих в 2И-уро-венной схеме турбулентного замыкания [8], интегрируются до установления квазипериодического режима. Он считается установившимся, когда относительные изменения во времени плотности баротропной приливной энергии становятся равными 5%. Это условие выполняется по истечении 17 приливных циклов после состояния покоя, принимаемого за исходное в начальный момент времени.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Мы обсудим результаты трех численных экспериментов. В первом из них влияние Белого моря на поверхностные М2 приливы в остальных окраинных морях Северо-Европейского бассейна учитывается явно (приливы определяются в системе окраинных морей в целом). Во втором это влияние считается отсутствующим (на открытой границе между Белым и Баренцевым морями ставится условие непротекания). Наконец, в третьем эксперименте используется способ учета взаимодействия между отдельными элементами системы, когда приливные колебания уровня на входе в Белое море задаются по результатам интерполяции мареографных измерений уровня, что означает задание конечного горизонтального переноса приливной энергии через открытую границу двух соседних водоемов.
Следует отметить, что полученные результаты моделирования в эксперименте 1 (они приводятся на рис. 2а—4а, 5, 7а и 8а) в общем не противоречат современным представлениям о природе поверхностных приливов в рассматриваемой си-
стеме. Согласно им (см., например, [9]), полусуточные приливы в Норвежском и Гренландском морях являются следствием суперпозиции двух встречных приливных волн — одной, распространяющейся из Северной Атлантики в Арктику, и другой, направленной из Арктики в Атлантику. Из-за диссипации приливной энергии в придонном пограничном слое встречная волна оказывается слабее падающей. В результате полусуточный прилив в этих морях приобретает характер прогрессивно-стоячего колебания с поступательной составляющей, направленной на север, с пучностью в центральной части и с узловыми зонами в проливах между этими морями и соседними водоемами. Под влиянием силы Кориолиса узловые зоны в Датском проливе и в районе Фарерских о-вов разворачиваются в амфидромии левого вращения, свидетельством чему может служить факт смещения центров амфидромий влево от оси проливов. Еще одна амфидромия левого вращения с центром в районе Шпицбергенской банки выявляется в Баренцевом море. Ее появление обязано, по-видимому, взаимодействию прямой волны Кельвина, генерируемой на свале глубин у восточной границы Норвежского моря (волна Кельвина характеризуется быстрым уменьшением амплитуд прилива в сторону открытого моря), и обратной волны пока неустановленной природы, распространяющейся на запад вдоль участка северной границы Баренцева моря, образуемой архипелагами Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. Сведений о составе элементарных мод, образующих обратную волну в Баренцевом море, нет. Остается также невыясненным вопрос о структуре прогрессивно-стоячего колебания в Норвежском и Гренландском морях. Предположительно обратная волна в Баренцевом море представляет собой либо волну Кельвина, либо ряд захваченных шельфовых волн (только они могут существовать выше
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.