ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 6, с. 733-743
УДК 551.446
ОСЦИЛЛЯЦИИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ШЕЛЬФЕ И КОНТИНЕНТАЛЬНОМ СКЛОНЕ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ НЕСТАЦИОНАРНЫМ ВЕТРОМ © 2014 г. В. А. Иванов, А. В. Багаев
Морской гидрофизический институт 299011 Севастополь, ул. Капитанская, 2 E-mail: bagaiev.andrii@gmail.com Поступила в редакцию 10.01.2014 г., после доработки 28.05.2014 г.
На основе трехмерной термогидродинамической модели Черного моря исследованы баротропные и бароклинные колебания, характерные для весеннего периода. Данный сезон можно считать переходным между завершением действия сильных зимних ветров и началом формирования сезонного термоклина. Использована трехмерная численная модель со свободной поверхностью и граничными условиями, соответствующими реальному полю ветра для апреля 2006 г., а также потокам тепла и соли на поверхности. Пространственное разрешение модели составляет 1.5 км по горизонтали и 27 уровней по вертикали, дискретность данных по времени — 1 час. Это позволяет провести детальное моделирование в южнобережном крымском секторе моря. Методом спектрального анализа исследована пространственно-временная структура полей уровня, кинетической энергии и температуры. Приведена интерпретация максимальных энергонесущих частот. В субмезомасштабной области спектра выделены проявления волн Пуанкаре и Кельвина, а также захваченных шельфовых волн. Проведено сопоставление с ранее выполненными исследованиями. Показано, что изменчивость стратификации, вызванная синоптическими процессами, влияет на спектральные характеристики волновых процессов на более мелких масштабах, внося вклад в перемешивание вод Черного моря.
Ключевые слова: осцилляции, внутренние волны, шельф, Черное море, численное моделирование, спектры.
Б01: 10.7868/80002351514060091
ВВЕДЕНИЕ
Начало XXI века характеризуется значительным прогрессом в развитии методов физической океанографии. С одной стороны, новое поколение сенсоров и платформ, таких как дрейфующие профилемеры, глайдеры и высокочастотные радары предоставляют доступ к информации о текущем состоянии океана с высокой степенью точности и оперативности. С другой — активное и повсеместное использование высокопроизводительных вычислений в моделировании порождает огромные массивы данных реанализа и прогноза состояния морской среды с высоким пространственно-временным разрешением. В то же время объединение усилий ученых и государственных структур из разных стран сделало реальностью комплексные системы мониторинга состояния океана как на глобальном, так и на региональном масштабах, что позволяет наполнять базы данных информацией о явлениях и структурах, происходящих на субинерционных частотах и на пространственных субмезомасштабах.
Наряду с экспериментальными и теоретическими исследованиями поля течений и термохалин-ной структуры Черного моря существует обширная научная литература, посвященная волновой динамике в шельфовых зонах [1—4]. Исторически Южный берег Крыма и океанографическая платформа в пгт. Кацивели представляются полигоном наиболее интенсивного мониторинга волновых процессов на инерционных и субинерционных частотах. В частности, в 80-е годы прошлого века были обобщены [3] наиболее совершенные на то время данные измерений автономных буйковых станций (АБС). Комплексный анализ массивов, объединивших данные АБС, донных установок, измерений с океанографической платформы и гидрологических съемок на НИС "Профессор Колесников", до сих пор остается непревзойденным по плотности натурного эксперимента и широте энергетического спектра исследованных динамических процессов. Также публикуется ряд оригинальных работ по моделированию волновых движений [5—9], в которых формируется по-
нимание роли шельфа как волновода, контролирующего эти колебания. Подчеркивается определяющее значение изменчивости ширины шельфа и формы береговой черты. Описывается механизм энергообмена баротропных осцилляций с квазистационарным струйным течением, условно представляющим ОЧТ. В приближении прямоугольного бассейна [10] были рассчитаны характеристики первых мод планетарных волн Россби в Черном море.
Физике баротропных и бароклинных осцилля-ций в стратифицированном бассейне, взаимодействию волновых движений с полем крупномасштабных течений и их вкладу в водообмен между шельфом и открытым морем посвящены работы [11, 12]. При этом известный, благодаря экспериментальным исследованиям [3], спектр колебаний на инерционных и субинерционных частотах удалось воспроизвести с помощью трехмерной численной модели циркуляции Черного моря GHER [11].
Цель данной работы — идентифицировать с помощью численной трехмерной гидродинамической модели высокого разрешения [13] мезо-масштабные и субмезомасштабные субинерционные колебания скалярных гидрофизических полей и сравнить полученные результаты с опубликованными ранее для южнобережного исследовательского полигона.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
Численная реализация трехмерной вихрераз-решающей модели общей циркуляции океана представлена в работах [13, 14]. Модель используется в МГИ в целях оперативного прогноза состояния Черного моря и продолжает развиваться [15] и использоваться в рамках международных проектов наравне с другими современными моделям динамики океана [16, 17]. Ее высокий имитационный уровень подтверждется валидацией по данным многочисленных измерений, в том числе буев-профилемеров ARGO [18]. В последние годы появились работы, в которых с помощью технологии вложенных сеток расчет ведется для различных подобластей Черного моря со сверхвысоким разрешением [19]. Модель позволяет описать пространственно-временную изменчивость трех компонент векторного поля течений, значения возвышений свободной поверхности моря, трехмерных полей температуры, солености, а также кинетической энергии турбулентности. Уравнения модели и принятые в ней аппроксимации описаны в [14, 20, 21].
ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Область расчета представляет собой весь черноморский бассейн, ограниченный непрерывной береговой линией с внешним стоком рек Дунай, Днепр, Буг, а также рек кавказского и турецкого побережья, Босфором и Керченским проливом. Пространственное разрешение составляет 1.5 км. Рельеф дна и контуры береговой линии получены интерполяцией рельефа предыдущей версии модели с 5 километровым разрешением по горизонтали и сглажены с точностью до двух шагов сетки.
Напряжение трения ветра, а также ежесуточные значения потоков тепла, осадков, испарения были получены на основании данных реанализа с помощью региональной атмосферной модели ALADIN.
Начальные значения всех гидротермодинамических переменных были получены в результате предшествовавшего длительного численного эксперимента, в ходе которого были рассчитаны согласованные значения полей плотности и векторного поля течений. Таким образом, можно весьма обоснованно полагать, что наблюдаемые осцилляции не будут являться ответом системы на возмущения, вызванные неравновесным состоянием, но будут проявлением отклика на внешнее атмосферное воздействие, а также взаимодействия потока жидкости с особенностями рельефа дна и береговой черты.
На развитие активных гидродинамических процессов, таких как топографические волны Россби, инерционно-гравитационные волны и волны Кельвина, в наибольшей степени влияет взаимодействие континентального склона (участка дна, где резко увеличивается его уклон по сравнению с шельфом) с мощным вдольбереговым течением. Однако точное воспроизведение подобных явлений существенно зависит от имитационной и разрешающей способности модели. Предыдущие исследования [9] были ограничены двумерным приближением однородного по глубине канала, либо [22] нуждались во введении дополнительных краевых условий для обеспечения устойчивости решения. Данная версия модели обладает высоким пространственно-временным разрешением (Ах = Ау = 1.5 км; М = 96 с), включает современную параметризацию подсеточных процессов и инициируется реалистичными граничными полями, что позволяет ожидать получение развитого спектра волновых процессов.
Для детального анализа выбран представленный на рис. 1 регион Южного берега Крыма (ЮБК), ограниченный координатами 32.9°— 35.9° Е и 44.0°—45.0° N. Этот участок характеризуется узким, с шириной в несколько километров шельфом и крутым континентальным склоном
Рис. 1. Поле скорости течений на поверхности моря на 2 апреля 2007 г. (справа) по данным моделирования и модельный профиль дна на ортогональном берегу разрезе (слева), обозначенном штриховой линией. Символ "А" указывает положение станции.
Температура, °С Соленость, %е Удельная кинетическая энергия, м2/с2
Рис. 2. Осредненные по пространству и времени вертикальные профили температуры (а), солености (б) и плотности кинетической энергии (в) для исследуемой области, соответствующие апрелю 2007 г, по результатам численного расчета. Штриховой линией показана средняя дисперсия.
(рис. 1а). В данной работе анализируется временная изменчивость скалярных переменных в апреле 2007 г. ОЧТ в этот период подходит к берегу особенно близко (рис. 1б), образуя своеобразный динамический источник энергии, при этом узкий шельф и континентальный склон выступают в качестве волновода. Здесь также располагается экспериментальный полигон ЭО МГИ НАН Украины (пгт. Кацивели), на котором выполняется мониторинг состояния моря и атмосферы.
Данные расчета обрабатывались с помощью специализированного программного обеспечения на языке программирования Python с использованием библиотек numpy, scypy, mlab и matplot-lib. Спектральная плотность сигнала вычислялась с помощью функции psd, использующей быстрое Фурье-преобразование. Перекрытие между сегментами разбиения составляло 10%. Для сглаживания сегментов выборки использовалась процедура хэннинга и вычитался линейный тренд.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
В первую очередь необходимо отметить качественное совпадение модельных полей скорости течений, температуры и солености с данными натурных наблюдений, характерными для исследуемого региона. Это позволяет обоснованно считать, что колебания, выделенные в нашей работе, согласуются с полем плотности и течений, а з
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.