ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 392-397
УДК 551.466
ОБ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИЛИВНЫХ КОНСТАНТ, ИНДУЦИРУЕМОЙ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОДНОЙ ПОДСИСТЕМЫ НА ДРУГУЮ
© 2007 г. Б. А. Каган, Д. А. Романенков
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Санкт-Петербургский филиал 199053 Санкт-Петербург, 1 линия, 30 E-mail.: kgn@gk3103.spb.edu Поступила в редакцию 02.10.2006 г.
Утверждается, что существует механизм генерации сезонной изменчивости приливных констант, связанный с воздействием одной подсистемы на другую. Для подтверждения этого тезиса привлекается трехмерная нелинейная конечно-элементная гидротермодинамическая модель QUODDY-4. Она используется для исследования приливной динамики волны М2 в системе Белого и Баренцева морей. Приводится свидетельство того, что при замерзании Белого моря и установлении в нем неподвижного ледяного покрова происходят изменения приливных характеристик в другой подсистеме - незамерзающем Баренцевом море. Здесь, особенно в южной части Баренцева моря, примыкающей к границе с Белым морем, относительные изменения амплитуды приливных колебаний уровня и максимальной скорости баротропного приливного течения могут составить до 75%, а изменчивость фаз приливных колебаний уровня - несколько десятков градусов. Отсюда следует, что сезонная изменчивость приливных констант упомянутого в заголовке статьи происхождения - в принципе, возможное явление, игнорировать которое, как это обычно делается, нет веских оснований.
Известны различные механизмы наблюдаемых вариаций приливных констант. Один из них - сезонный цикл морского льда в высоких широтах [1], другой - нелинейные эффекты [2], третий - сезонные изменения параметров ветрового волнения [3], четвертый - любая межгодовая изменчивость океанографических характеристик [4] и пятый - модуляция приливной гармоники К1 морским бризом [5]. Недаром в [5] даже высказывалась мысль, что изменчивость приливных констант - широко распространенное явление, и его отсутствие есть скорее исключение, чем правило. В поддержку этого тезиса мы попытаемся показать, что существует еще один механизм генерации сезонной изменчивости приливных констант, связанный с воздействием одной подсистемы на другую.
Его аналогом может служить механизм колебаний в системе двух связанных осцилляторов, когда один осциллятор взаимодействует с другим, обмениваясь с ним энергией. Известно также, что для линейных систем с любым числом степеней свободы выполняется теорема взаимности, согласно которой при воздействии внешней силы на один осциллятор другой будет колебаться так же, как если бы на него действовала та же внешняя сила. Применительно к интересующему случаю системы Белого и Баренцева морей это означает, что сезонная изменчивость приливных констант в одной подсистеме (замерзающем Белом море) должна как-то отражаться и на другой подсистеме (незамерзающем или, точнее, частично замерзающем
Баренцевом море). Такова исходная предпосылка настоящей работы.
Для ее реализации несколько упростим задачу. Именно, максимизируем сезонные изменения приливных констант, если таковые имеются, в Баренцевом море, для чего предположим, что в Белом море, которое в действительности характеризуется сочетанием неподвижного (припайного) и дрейфующего морского льда, ледяной покров может быть представлен эластичной пленкой, свободно совершающей вертикальные движения вслед за приливными колебаниями уровня моря, но неподвижной в горизонтальной плоскости. Для описания приливной динамики в рассматриваемой системе воспользуемся трехмерной нелинейной конечно-элементной гидротермодинамической моделью QUODDY-4 в ее первоначальной форме, не допуская каких-либо ее модификаций. Подробное описание используемой модели можно найти в [6], см. также [7]. Поэтому, во избежание повторений, укажем только на самые необходимые детали модели: горизонтальное разрешение конечно-элементной сетки задается варьирующим от 0.4 км у берега до 43.2 км у открытой границы; вертикальное разрешение - соответствующим разбиению толщи моря на 20 слоев неравной толщины; шаг по времени - 21.832 с; рассчитанные приливные характеристики - отвечающими гармонике М2 приливо-образующей силы (частота приливной гармоники 1.405 х 10-4 с-1); глубины заимствуются из одноминутного банка данных 1ВСАО; значения амплитуд и фаз приливных
колебаний уровня на открытой границе - из высокоразрешающей арктической модели [8]; коэффициент сопротивления считается всюду равным 0.003 в придонном и 0.015 в подледном логарифмических пограничных слоях; в обоих случаях (при наличии и отсутствии льда в Белом море) коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости вычисляется по известной формуле Смагоринского.
При таких значениях модельных констант уравнения динамики приливов интегрируются по времени до установления квазипериодического режима. Он определяется как такой режим, при котором относительные изменения средних (за приливный цикл) составляющих бюджета приливной энергии становятся равными 5%. Это условие достигается по истечении 30 приливных циклов при отсутствии льда в Белом море и 25 приливных циклов при его наличии. Все результаты расчета, о которых пойдет речь далее, относятся именно к такому режиму.
Результаты расчета амплитуд приливных колебаний уровня изображены на рис. 1. Как видно, наличие ледяного покрова в Белом море приводит к их изменению в Баренцевом море. В этом смысле аналогия с системой связанных осцилляторов выполняется. Однако, что интересно, изменения амплитуд приливных колебаний уровня в Баренцевом море получаются неоднозначными: в южной и северо-западной частях преобладают положительные относительные изменения (увеличение), достигающие 75%, тогда как в центральной, северной и северо-восточной частях - отрицательные относительные изменения (уменьшение). Последние в окрестности вырожденной амфидромии на западном побережье о-вов Новая Земля могут достигать -75%. Тем не менее на преобладающей части акватории Баренцева моря относительные изменения амплитуд приливных колебаний уровня составляют от 0 до -15%.
Наличие льда в Белом море должно сопровождаться локальным усилением трения и, как следствие, не только наблюдаемым (в целом) относительным уменьшением амплитуд, но и увеличением фаз приливных колебаний уровня и относительным уменьшением максимальной скорости (большой полуоси эллипса) баротропного (усредненного по глубине) приливного течения. Это соображение, однако, основывается на исследовании распространения прогрессивных волн в каналах и идеализированных заливах (см., например, [9]). В реальных условиях эта закономерность нарушается. Ожидаемое увеличение фаз приливных колебаний уровня в покрытом льдом Белом море происходит лишь в Горле и Мезенском заливе. Вместе с тем, на основной части акватории Белого моря, включая Воронку, Бассейн, а также Онежский, Двинский и Кандалакшский заливы, индуцируемые льдом изменения
фаз становятся отрицательными и к тому же не такими уж небольшими (до -75°).
Несколько меньшие изменения фаз (до -25°) отмечаются в крайних западной и северо-восточной частях Баренцева моря (рис. 2). Напротив, в Печорском бассейне (мелководная юго-восточная часть Баренцева моря) и в окрестностях о. Колгуев изменения фаз приливных колебаний уровня оказываются положительным и варьирующими от 10 до 50°. На основной площади Баренцева моря изменения фаз меньше 10°. Причина отмеченного несоответствия очевидна. Это перестройка поля приливных колебаний уровня, связанная, главным образом, со смещением двух амфидромий в Белом море - амфидромии левого (против часовой стрелки) вращения котидалей с центром у выхода из Горла вблизи Зимнего берега и вырожденной амфидромии у м. Летний Орлов (вход в Онежский залив).
Увеличение максимальной скорости баротропного приливного течения на основной части Баренцева моря из-за присутствия льда в Белом море достигает (в относительных единицах) 10% (рис. 3). И только в Печорском бассейне оно больше, а в северо-восточной части и в районе Центральной впадины Баренцева моря может быть отрицательным, составляя -25% и меньше. Кстати, перестройка поля приливных колебаний уровня как реакция моря на воздействие ледяного покрова -не новое явление. Его признаки были обнаружены при воспроизведении максимально возможных и индуцируемых дрейфующим льдом изменений приливной динамики в Белом море [10] и окраинных морях Сибирского континентального шельфа (Е.В. Софьина, частное сообщение).
В заключение еще раз подчеркнем, что в Баренцевом море нельзя выделить какую-либо определенную тенденцию изменений приливных характеристик, порождаемых вариациями ледовых условий в Белом море. Относительные изменения амплитуд приливных колебаний уровня и максимальной скорости баротропного приливного течения могут быть как положительными, так и отрицательными, хотя в приграничных южных районах Баренцева моря эти характеристики претерпевают противоположные (по сравнению с таковыми в Белом море) и притом весьма значительные изменения: предсказываемые здесь относительные изменения амплитуд могут достигать 75%, изменения фаз приливных колебаний уровня - нескольких десятков градусов. Понятно, что сезонная изменчивость приливных констант в южной части Баренцева моря, обусловленная вариациями ледяного покрова в соседнем Белом море, - в принципе возможное и хорошо детектируемое явление, не учитывать которое, как это делается сейчас, нет веских оснований.
(а)
(б)
°N 80787674)
7270 68 66
64 80
78
76
74
72
70
68
66
64
20
25
30
35
-Г
40
45
50
г 55
-1-г
60 65 °Е
Рис. 1. Амплитуды (в см) приливных колебаний уровня в безледный период (а) и их относительные изменения (в %) при наличии и отсутствии льда в Белом море (б). Пунктир - открытая граница исследуемой области, сплошная толстая кривая - береговая линия континента и островов.
Рис. 2. Фазы (в град) приливных колебаний уровня в безледный период (а) и их изменения (в град) при наличии и отсутствии льда в Белом море (б).
111111111
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 °Е
Рис. 3. То же, что на рис. 1, для максимальной скорости (в см с 1) баротропного приливного течения.
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.