научная статья по теме ПРИЛИВ В ОПЕРАТИВНОЙ МОДЕЛИ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА УРОВНЯ МОРЯ И СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ В БАРЕНЦЕВОМ И БЕЛОМ МОРЯХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРИЛИВ В ОПЕРАТИВНОЙ МОДЕЛИ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА УРОВНЯ МОРЯ И СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ В БАРЕНЦЕВОМ И БЕЛОМ МОРЯХ»

УДК [551.461+551.466.75].001.572(268.45+268.46)

Прилив в оперативной модели краткосрочного прогноза уровня моря и скорости течений в Баренцевом и Белом морях

С. К. Попов*, А. Л. Лобов*, В. В. Елисов*, В. И. Батов*

Внедрена в автоматизированную систему оперативной обработки информации Гидрометцентра России и работает в оперативном режиме оперативная модель для краткосрочного прогноза скорости течений и уровня Баренцева и Белого морей. Приливный блок модели верифицирован по восьми основным гармоникам прилива Баренцева и Белого морей. Установлено, что модель адекватно воспроизводит крупномасштабные черты приливной циркуляции Баренцева моря. Верификация модели проводилась на основании сравнения диагностического расчета суммарного уровня моря с данными наблюдений за уровнем на автоматической буйковой станции. Показано хорошее соответствие расчетов суммарного уровня с наблюдениями в районе п. Териберка. Модель учитывает наличие льда и воспроизводит влияние льда на течения. Установлено, что наличие льда значительно влияет на амплитуду и фазу приливных волн, особенно в прибрежных районах.

1. Введение

Цель работы — расчет пространственно-временных полей уровня моря и скорости течений в бароклинном море по прогностическим полям атмосферного давления с учетом приливных движений и ледовой обстановки на срок до 48 ч. При расчетах динамики вод в гидродинамической модели Баренцева и Белого морей учитываются поля скорости ветра, атмосферного давления, приливные движения, стратификация вод, батиметрия включая топографию берегов, ледовые условия. Успех моделирования суммарных движений и получения достоверного краткосрочного прогноза в значительной степени определяется качеством приливного блока общей технологии.

На большей части Баренцева моря приливы генерируются атлантической приливной волной, приходящей из Гренландского и Норвежского морей и распространяющейся вдоль Кольского берега на юго-восток. На северные окраины Баренцева моря оказывает влияние приливная волна из Полярного бассейна. Взаимодействие атлантической и полярной волн приводит к их интерференции у берегов Шпицбергена и в районе Земли Франца-Иосифа.

* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: lmpi@mail.ru.

Приливы Баренцева моря имеют характер, близкий к правильному полусуточному, и вызывают значительные колебания уровня моря. Размах колебаний на побережье у Мурманска (большая часть Кольского п-ова от норвежской границы до мыса Святой Нос) достигает 3—4 м, на севере и северо-востоке амплитуда приливов меньше и у берегов Шпицбергена составляет 1—2 м, а у южного побережья Земли Франца-Иосифа — 0,4—0,5 м.

Вдоль берега Кольского п-ова, в Чешской губе и в западной части Печорского моря приливные течения близки к реверсивным. В открытых частях моря направление течений в большинстве случаев изменяется по часовой стрелке, а вблизи дна и на некоторых банках — против нее.

Наиболее яркими особенностями отличаются области резонанса полусуточных приливов в области Воронки Белого моря, Мезенского залива (размах колебаний уровня 8 м) и Чешской губы (6 м). Максимальная амплитуда штормовых нагонов в целом меньше, чем приливных колебаний уровня, и не превышает 3—4 м.

Скорость приливных течений в Баренцевом море значительно больше скорости постоянных непериодических течений. Наиболее интенсивны приливные течения вдоль Мурманского и Терского берегов Кольского п-ова, при входе в Воронку Белого моря, в Канинско-Колгуевском районе и на мелководье Южного Шпицбергена. Это связано с особенностями распространения приливной волны, которые определяются рельефом дна, конфигурацией берегов, интерференцией приливных волн, приходящих из Атлантического океана и Полярного бассейна.

2. Трехмерная гидродинамическая бароклинная модель со свободной поверхностью

Гидродинамическое моделирование широко применяется для исследования глобальных приливных движений как в Мировом океане в целом, так и в его отдельных районах, на континентальном шельфе, в эстуариях и устьях рек. Моделированию приливов именно в Баренцевом море посвящены, например, работы [14—17], в которых использованы двухмерные уравнения мелкой воды, в работах [5—7] применяется трехмерная модель.

Двухмерные модели были разработаны в середине прошлого века как компромисс между желанием воспроизвести приливные движения и штормовые нагоны, с одной стороны, и возможностями вычислительной техники того времени — с другой. Однако они, несмотря на явное преимущество в экономичности и быстродействии расчетов, не могли воспроизвести распределение скорости приливных течений по горизонтам и в придонном слое, затухающее с глубиной воздействие ветра на поверхность моря, а также учесть эффекты бароклинности.

Здесь для расчета уровня моря и скорости течений использована трехмерная бароклинная гидродинамическая модель со свободной поверхностью [1, 3, 4]. Ее достоинством является возможность воспроизведения трехмерной структуры течений, что позволяет решать ряд задач, например, связанных с моделированием распространения разного рода загрязняющих веществ и освоением шельфа в хозяйственных целях. Система уравнений модели выписана в приближении гидростатики в декартовой системе координат, которую можно применять только для ограниченных аквато-

рий. Погрешность применения локальной декартовой системы координат равна Ь/Яtgф, где Ь — характерный масштаб по горизонтали; Я — радиус Земли; ф — широта [8]. Локальную декартову систему координат обычно используют для моделирования морских движений при характерных масштабах процессов до 1000 км. Модель основана на системе уравнений, аналогичной модели Бэкхауза для Северного моря [18, 19]. Использование локальной декартовой системы для Баренцева моря влечет значительные погрешности, поэтому в будущем планируется перейти на сферическую систему координат.

Коэффициент вертикальной турбулентной вязкости N принят переменным по глубине [10]. На твердых боковых границах задается условие прилипания, т. е. равенства нулю нормального и тангенциального компонентов ско-рос ти тече ния.

На поверхности моря задаются касательные напряжения ветра т, кинематическое условие, температура Т и соленость Б по климатическим данным:

,, ды ,, ду дй дй дй ™ ™ 0 о /->ч

= т„, = ту, ^ + ы-2 + у-^ = ^ Т = Т, Б = Б. (1)

дг дг дt дх ду

На дне принимается квадратичный закон трения, задаются кинематическое условие обтекания течением неровностей рельефа дна Н(х, у) и отсутствие потоков тепла и солей:

лт ды ът ду дН дН дБ „ дТ п

К, — = т Ьх, = т Ьу, ы— + у— = п>, — = 0, — = 0, (2)

ил _ л и у л 4 '

дг дг дх ду дг дг

где (т^ тУ = (Слиах\иа^ Слиау\и а\);иа — вектор ск°р°сти ветра; Сй =

= 3,2 • 10-6, (т Ьх, тЬу) = (а ыь \иь \, а у \и ь \);й ь — вектор придонного течения, а = 2,5 • 10-3.

Влияние льда учитывается через касательное напряжение ветра, уменьшающееся пропорционально сплоченности льда так, что при сплоченности льда 100% напряжение трения ветра равно нулю; путем задания трения воды о лед по квадратичному закону (аналогично придонному трению) с коэффициентом трения а = 5,5 • 10-3.

На жидких границах задаются колебания уровня моря в виде суммы при лив ной и не пе ри оди чес кой со став ля ю щих уровня моря. На са мой жидкой границе известен только уровень моря, поэтому аналогично [7] на жидкой границе задавался уровень моря, а для обоих компонентов горизонтальной скорости течения ставилось условие равенства нулю производных по нормали к жидкой границе.

Непериодическая составляющая уровня моря задается в виде суммы двух ком по нен тов — не ста ци о нар но го (си ноп ти чес ко го), рас счи ты ва е мо го по закону обратного барометра, и квазистационарного (долгопериодного), формируемого системой плотностных течений.

Для каждого месяца поля уровня моря и скорости течений были рассчитаны диагностическим методом (расчет на установление по времени 30 сут) по заданным среднемесячным климатическим полям температуры и солености. При расчетах суммарных движений эти значения уровня, полученные для каждого из 12 месяцев, задаются на жидкой границе Барен-

цева моря в качестве квазистационарного компонента непериодической составляющей уровня моря.

Приливная составляющая представляет собой предвычисленный по гармоническим постоянным временной ход приливного уровня в виде суммы определенного числа составляющих:

п

^ y, = ^ ^ _у)с08[а ^ + V 0,- - §, ^ У)] (3)

Г2 Г~1

где А,(х, у), §,(х, у) и ч, — амплитуда, фаза и угловая скорость ,-й составляющей прилива в каждой точке жидкой границы соответственно; и Я1 — начальная фаза и редукционный множитель, определяемый по астрономическим данным, соответственно на начало и середину расчета [4].

Аппроксимация по пространству выполнена на сетке Аракавы С — оптимальной для инерционно-гравитационных волн. Учет осушения и за-топ ле ния осу ще ствлялся с помощью спе ци аль ной тех ноло гии, из ложен ной в работах [3, 13].

Модель численно реализована на равномерной горизонтальной сетке с шагом 5 морских миль, всего 156 х 201 узлов, часть которых находится на суше (рис. 1). Шаг по вертикали неравномерный и содержит 20 расчетных горизонтов, шаг по времени 90 с, коэффициент горизонтальной вязкости N = 1500 м2/с.

В качестве исходной информации использованы поля приземного давления с дискретностью 6 ч, полученные по расчетам региональной модели атмосферы Гидрометцентра России [9], которые хорошо согласуются с полями давления в конкретных штормах [2].

Значения скорости ветра над морем в штормовых условиях по данным модели оказались несколько меньше реально наблюдавшихся, поэтому была разработана методика расчета приводного ветра по полям атмосферного давления. Поле скорости приводного ветра определяется по полю атмосферного давления (геострофический ветер) с учетом кривизны изобар и агеострофической составляющей. Учет поворота и уменьшения скорости ветра из-за трения в приводном слое производится с помощью эмпирической связи параметров устойчивости атмосферы от барической тенденции. Полученные таким образом поля ветра используются для расчета касательного напряжени

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.

Показать целиком