ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 251-265
УДК 551.465
СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ КАСПИЙСКОГО МОРЯ, ВОССТАНОВЛЕННАЯ АССИМИЛЯЦИЕЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОЛЕНОСТИ В МОДЕЛИ
ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД
© 2008 г. В. В. Кныш*, Р. А. Ибраев**, Г. К. Коротаев*, Н. В. Иншшина*
*Морской гидрофизический институт НАН Украины 99011 Севастополь, ул. Капитанская, 2
E-mail: odop_mhi_nanu@mail.ru **Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8
E-mail: ibrayev@inm.ras.ru Поступила в редакцию 16.08.2007 г.
Приведены результаты анализа сезонной изменчивости полей течений Каспийского моря, восстановленных посредством ассимиляции климатической температуры и солености в полной модели циркуляции вод на основе алгоритма адаптивной статистики ошибок прогноза. Источники в уравнениях переноса-диффузии тепла и соли зависят от пространственно-временной изменчивости дисперсий ошибок прогноза и одномерных (по вертикальной координате) дисперсий ошибок измерений температуры и солености. Дисперсии ошибок прогноза корректируются в моменты ассимиляции данных в соответствии с упрощенным фильтром Калмана. Показано, что климатическая циркуляция вод в Каспийском море сильно изменчива. Она наиболее интенсивна по всей глубине моря в феврале. Минимум кинетической энергии наблюдается в апреле. Течения в глубоководных районах моря определяются балансом между ветровым и бароклинным факторами формирования циркуляции с преобладанием ветровых течений.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на более чем полувековую историю [1], к настоящему времени недостаточно наблюдений за течениями Каспийского моря для адекватной реконструкции климатической циркуляции вод моря и ее сезонной изменчивости. Этот факт объясняется тем, что большинство измерений течений выполнялись в прибрежных областях глубоководного Каспия, были кратковременными и характеризовались небольшим количеством данных наблюдений [2-5].
Диагностические расчеты, выполненные динамическим методом по среднемноголетним полям плотности для отдельных месяцев [6] и по данным сезонных съемок [7], позволили скорректировать известные к тому времени схемы общей циркуляции Каспийского моря, например, схему В.А. Леднева [3]. Однако такие схемы циркуляции из-за ограниченности динамического метода и отсутствия измерений течений в глубоководных областях бассейна невозможно проверить.
Диагноз течений моря по известной температуре, солености (плотности) посредством трехмерных квазигеострофических [8] и полных [9, 10] моделей указывает на существенную сезонную изменчивость циркуляции вод. Использование прогностической модели [11] для реконструкции течений моря показало, что восстанавливае-
мые течения оказались весьма чувствительными к прямому воздействию касательного напряжения трения ветра. Последние работы стимулировали разработку наиболее полной к настоящему времени региональной численной модели моря и проведение исследований основных гидродинамических процессов методами диагноза [4] и прямого численного моделирования [12, 13].
Восстановление трехмерных взаимно согласованных гидрофизических полей производилось в работе [4] методом гидродинамической адаптации с использованием среднемноголетних массивов температуры, солености и атмосферного воздействия для 12 месяцев. Очевидно, адаптационные расчеты позволяют воспроизводить климатические поля с той дискретностью по времени, с какой имеются исходные массивы температуры и солености (плотности) морской воды. В то же время решение многих важных экологических и других прикладных задач требует знания климата моря с гораздо большей подробностью во времени.
Более эффективным методом реконструкции сезонных климатических параметров моря является непрерывная во времени ассимиляция климатических массивов температуры и солености в численной модели с меняющимися в течение года граничными условиями на поверхности [14, 15]. В данном подходе возникает проблема выбора та-
кой методики ассимиляции, при которой коррекция климатическими данными прогнозируемых моделью температуры и солености была бы оптимальной. Под оптимальностью здесь имеется в виду следующее: а) роль усваиваемых на каждом шаге по времени данных в модели не должна быть завышенной; б) ассимиляция данных должна быть такой, при которой осуществлялся бы процесс быстрого (геострофического) согласования гидрофизических параметров моря. Применительно к бассейну Черного моря в [16, 17] было показано, что завышенная роль данных приводит к нарушению баланса членов в уравнениях модели и качественным и количественным искажениям наиболее чувствительного параметра - вертикальной скорости. Предложенные позже методика периодической ассимиляции данных в модели [16] и алгоритм адаптивной статистики ошибок прогноза [18] позволили воспроизвести взаимно согласованные климатические поля Черного моря.
Целью настоящей работы было восстановление полей течений Каспийского моря путем ассимиляции климатической температуры и солености в полной модели на основе алгоритма адаптивной статистики ошибок прогноза. В соответствии с ним численно решались соответствующие дифференциальные уравнения для дисперсий ошибок прогноза температуры и солености. В правые части уравнений переноса-диффузии тепла и соли включались функции мощности источников, зависящие от пространственно-временной изменчивости дисперсий ошибок прогноза, дисперсий ошибок измерений и разностей между климатической и рассчитываемой в модели температурой (соленостью). Дисперсии ошибок прогноза корректировались в момент усвоения данных в соответствии с упрощенным фильтром Калмана.
Выполнен анализ статистических характеристик ошибок прогноза и климатических полей течений и уровня Каспийского моря. Использование алгоритма адаптивной статистики ошибок позволило воспроизвести взаимно согласованные поля с учетом динамики дисперсий ошибок прогнозов.
ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ МОРЯ
Для воспроизведения климатического режима сезонной циркуляции Каспийского моря применялась модель гидродинамики внутреннего моря (МГВМ), подробно описанная в [12, 19]. Она включает модель взаимодействия пограничного слоя атмосферы и поверхности моря, модель термодинамики льда и собственно модель гидротермодинамики моря. В модели взаимодействия двух сред параметры приводного слоя атмосферы - температура, влажность воздуха, скорость ветра и модельная температура поверхности моря (ТПМ) используются для расчета потоков свойств на гра-
нице воздух-вода: испарения, потоков явного и скрытого тепла, потоков импульса. Регулирующиеся потоки тепла и массы с поверхности моря, в свою очередь, обеспечивают более точный расчет ТПМ. В МГВМ используется модель термодинамики льда, приведенная в [20]. Прогностическими уравнениями МГВМ являются уравнения для горизонтальных компонент вектора скорости, температуры, солености и уровня моря, записанные в сферической системе координат (к, ф, z), где к - широта, ф - долгота, z - глубина. Отличительными особенностями МГВМ являются: подвижная верхняя граница моря, которая описывается квазилинейным уравнением свободной поверхности; использование граничных условий на свободной поверхности, обеспечивающих закон сохранения тепла, соли и импульса (при нулевых физических потоках через все границы и нулевой солнечной радиации); учет проникающей солнечной радиации путем параметризации длинноволновой и коротковолновой частей.
Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений модели основывалась на бокс-методе [21]. В численной модели выполняются законы сохранения (массы, тепла, соли) и интегральные уравнения, присущие дифференциальной системе уравнений.
Основные параметры модели, граничные и начальные условия, постановка численных экспериментов
В численной модели горизонтальное разрешение по широте и долготе составляло (1/12)° и (1/9)° соответственно. Линейные размеры ячейки сетки не превышают 9.3 км. По вертикали использовалось 22 горизонта, расположенных на следующих глубинах: 1, 3, 7, 11, 15, 19, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800 и 900 м. Шаг по времени равнялся 30 минутам. Модельная топография дна реалистично воспроизводит Северный Каспий, крутые склоны шельфа западной части и Южного Каспия. В модели явным образом разрешается ряд островов (Огур-чинский, Тюлений, Искусственный) и Апшерон-ский порог с глубиной 225 м.
Коэффициенты горизонтального трения и диффузии принимались равными 102 м2/с и 10 м2/с соответственно. Коэффициенты вертикальной турбулентной вязкости (Km) и диффузии (Kh) в случае устойчивой стратификации определяются по числу Ричардсона [22] в соответствии со значениями параметров, найденными в работе [23]: (Km, Kh)max (50, 10) X 10-4 м2/с и (Km, Kh)mln = (1, 0.02) X х 10-4 м2/с. Конвективное перемешивание, возникающее в случае неустойчивой стратификации, параметризуется в модели осреднением температуры и солености неустойчивых слоев с сохранением общего количества тепла и соли.
Для задания граничных условий в модели взаимодействия атмосферы и моря и на верхней границе моря использовались среднемесячные данные ре-анализа атмосферной циркуляции, выполненного в Европейском центре среднесрочного прогноза погоды (ЕЦСПП) для 1982 г., в котором наблюдалось наименьшее изменение среднего уровня Каспийского моря с начала января по конец декабря. Отметим, что среднемесячные ветра, рассчитанные на основе данных реанализа ЕЦСПП для 1982 г., и климатические ветра из работы [24], полученные по данным измерений на судах и 72 береговых метеостанциях, в целом показывают хорошее согласие в отношении воспроизведения основных крупномасштабных структур [13].
Воздействие речного стока на гидрологию бассейна моря учитывалось через боковые границы области. Среднемесячные значения стока для р. Волги, Урала, Терека и Куры заданы по данным 1982 г. В 1982 г. пролив, соединяющий залив Кара-Богаз-Гол и море, был перекрыт. Наибольший приток пресной воды в море приходится на сток р. Волги и составляет около 80% общего стока рек. В 1982 г. среднегодовой сток р. Волги равнялся 7050 м3/с. Сезонный ход стока подверж
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.