ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 843-853
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
СРЕДНЕМЕСЯЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНУТРИГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД КАСПИЙСКОГО МОРЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПО ВИХРЕРАЗРЕШАЮЩЕЙ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
© 2004 г. Д. Г. Курдшмов1, Э. Озцой2
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия 2Институт морских наук Ближневосточного технического университета, Эрдемли, Турция
Поступила в редакцию 08.06.2004 г.
Исследуется сезонная изменчивость циркуляции вод Каспийского моря с применением усовершенствованной модели термогидродинамических процессов. По сравнению с ранее опубликованными результатами [4], в настоящей модели задача решается на более детальной пространственной сетке, используются 6-часовые атмосферные условия. Явное описание мезомасштабных процессов и высокочастотном колебаний с временными масштабами ~102-104 с позволило расширить класс воспроизводимых моделью явлений. В работе анализируются: среднемесячные характеристики циркуляции вод, вихреобразование на струйных вдольбереговых течениях, трехмерная структура апвеллинга, течений на взморье р. Кура, течений вдоль восточного берега моря. Проводится сравнительный анализ результатов моделирования и данных натурных наблюдений крупно- и мезомасштабных явлений Каспийского моря. Наиболее стабильными в течение года являются течения в подповерхностных (ниже 20-50 м) слоях глубоководных частей моря, которые носят циклонический характер. Сезонная изменчивость поверхностных течений формируется под влиянием изменчивости ветра и обмена импульсом с подповерхностными течениями.
1. ВВЕДЕНИЕ
Гидротермодинамика морей и океанов, как это показывают многочисленные данные измерений, характеризуется широким спектром изменчивости. Однако даже с привлечением современных методов измерений и устройств, таких как автономные плавучие буйки, долговременные заякоренные измерители и т.д., ограничения инструментов таковы, что только очень малая часть пространственно-временной изменчивости состояния моря может быть измерена непосредственно в море. В настоящее время только спутниковые измерения могут дать более или менее полную информацию о синоптической динамике, однако эти данные ограничены поверхностными характеристиками. Следовательно, количественное описание циркуляции вод моря, понимание его динамики и взаимозависимостей не могут быть получены только с помощью измерительных средств. Численные модели необходимы как средство для интерпретации данных наблюдений и как средство для понимания динамики моря [22].
Сказанное выше полностью относится к изучению циркуляции вод Каспийского моря. Из имеющихся данных о состоянии моря следует отметить следующие. Существуют статистически обеспеченные среднемесячные данные о термо-халинной структуре верхнего 100-метрового слоя моря [8], данные о спектральных характеристи-
ках течений [1, 9]. Наиболее достоверными, по-видимому, являются данные о суточной, внутригодо-вой и межгодовой изменчивости уровня моря. По данным измерений биохимических параметров были обнаружены антициклонические вихри вдоль южного берега Каспия [6]. Космические снимки температуры поверхности моря позволили более детально увидеть известные из данных натурных измерений пространственно-временные характеристики апвеллинга вдоль восточного берега Среднего Каспия [20]. Наряду с накопленными за столетие исследований данными традиционных океанографических наблюдений и их интерпретацией, исследования с применением моделей гидродинамики моря, проведенные в последние несколько лет, позволили лучше понять характер крупномасштабной циркуляции вод моря [4, 5, 10, 21].
Особенности гидрофизического режима Каспийского моря и его изменчивости необходимо учитывать при разработке модели термогидродинамики моря. Во-первых, Каспийское море - замкнутое, не имеет связи с Мировым океаном. Поэтому одной из наиболее чувствительных к изменчивости внешнего воздействия характеристик является водный баланс. Во-вторых, в Каспийском море, в отличие от окраинных морей, вертикальная стратификация вод определяется прежде всего термическими факторами. Как следствие - повышенная чувствительность вертикальной стратификации
и течений в верхнем (~100 м) слое моря (выше и ниже пикноклина) к изменчивости (суточного и синоптического масштаба) атмосферного воздействия. В-третьих, Каспийское море - мелкое, две трети площади моря - это шельф с глубинами менее 100 м. Вышесказанное определяет основные требования к разрабатываемой модели динамики моря, которые заключаются в следующем: модель должна описывать характерные динамические особенности моря (струйные береговые течения, вихревую динамику, апвеллинг, вертикальную стратификацию), изменчивость уровня (а следовательно, и массы воды) моря и работать в режиме синоптического атмосферного форсинга.
Настоящая работа является продолжением исследований изменчивости термогидродинамических процессов Каспийского моря с применением Модели Гидродинамики Внутреннего Моря (МГВМ) [15]. Исследования крупномасштабных характеристик внутригодовой изменчивости гидродинамики моря с применением МГВМ [2, 4] показали, что: циркуляция поверхностных вод Среднего и Южного Каспия не является циклонической в течение года; течения вдоль восточного берега Среднего Каспия носят двухслойный характер. В работе [2] также была исследована сезонная изменчивость уровня моря и ее зависимость от параметров приводного слоя атмосферы и температуры поверхности моря (ТПМ), определяемой как взаимодействием атмосферы и моря, так и трехмерными термогидродинамическими процессами. Ряд процессов, связанных с мезомасштабной изменчивостью характеристик моря и ее ролью в циркуляции вод, не мог быть описан в рамках разработанной ранее модели, в частности из-за недостаточного пространственного разрешения и использования среднемесячных атмосферных условий. В настоящей работе предпринята попытка расширить спектр описываемых в модели процессов. В частности, представлены результаты моделирования гидродинамики моря с более детальным описанием топографических вихрей и фронтальных зон. Использование более детальной пространственной сетки по вертикали позволило лучше описать термогидродинамические процессы верхнего слоя моря. Особенно важно то, что в настоящей работе на верхней границе задаются синоптические атмосферные условия, что позволит воспроизвести термогидродинамические свойства моря в режиме, близком к реальному.
Известно, что применение синоптического атмосферного форсинга приводит к генерации в модельном решении ряда высокочастотных процессов. Временная дисперсия атмосферного воздействия играет важную роль в определении потока импульса и тепла, а следовательно, - в формировании верхнего перемешанного слоя и ТПМ, которая, в свою очередь, оказывает влияние на испарение с поверхности моря и на динамику уровня моря. Влияние временного осреднения атмосфер-
ного форсинга на воспроизведение в модели гидродинамических процессов рассматривается в целом ряде работ. В частности, одномерная задача об интенсификации турбулентности в верхнем слое моря во время шквального ветра и о распаде турбулентности после выключения ветра детально рассмотрена в работе [18].
При синоптическом атмосферном форсинге в модели генерируются инерционные колебания, которые вносят значительный вклад в изменчивость решения. В моделях гидродинамики морей инерционные колебания часто не учитываются из-за использования гладко меняющихся атмосферных условий, либо из-за фильтрации их численной схемой. Влияние инерционных колебаний на вертикальный обмен исследовалось в работе [12], где рассмотрены различные трехмерные процессы, обусловленные штормовыми и после-штормовыми явлениями. Там же можно найти краткий обзор на эту тему. Как показывает анализ результатов данной модели, при явном разрешении инерционных колебаний они оказывают влияние на крупномасштабные характеристики решения, в частности, - на вертикальное перемешивание, а следовательно, - на ТПМ, испарение и ход уровня моря.
В настоящей работе мы проанализируем в основном среднемесячные характеристики циркуляции вод и частично моментальные характеристики вихревых структур. Высокочастотные термогидродинамические процессы моря, изменчивость уровня моря и изменчивость течений Северного Каспия будут рассмотрены в отдельных статьях.
2. ПОСТАНОВКА ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе используется МГВМ, являющаяся совместной моделью термогидродинамики моря, взаимодействия атмосферы и моря, термодинамики морского льда [15, 2, 4]. Модель основана на трехмерных полных уравнениях геофизической гидродинамики. Приняты приближения гидростатики, несжимаемости морской воды и приближение Буссинеска. Подвижная верхняя граница моря описывается уравнением свободной поверхности в квазилинейном приближении, позволяющем описывать как высокочастотные колебания, так и изменение среднего уровня моря вследствие ненулевого водного баланса. Прогностическими уравнениями в модели являются уравнения для горизонтальных компонентов скорости, уравнения переноса тепла и соли, уравнение свободной поверхности. В настоящей работе в МГВМ включена параметризация вертикального перемешивания по схеме Мэллора-Ямады уровня 2.5 [16], которая предполагает решение двух дополнительных прогностических уравнений. Применимость данной параметризации в модели Каспийского моря обсуждалась в [3].
МГВМ является 7-уровенной моделью, уравнения аппроксимируются в координатах долготы, широты, глубины. В конечно-разностной аппроксимации уравнений модели особое внимание обращалось на выполнение законов сохранения и интегральных уравнений, присущих дифференциальной системе уравнений. Это законы сохранения массы, тепла и соли, уравнение эволюции суммы кинетической и потенциальной энергий. Наиболее полно численная модель описана в работах [15, 2].
Для задания граничных условий на верхней границе моря и в модели взаимодействия атмосферы и моря использовались данные реанализа атмосферной циркуляции БЯА-15 ECMWF [13], выполненные для периода 1979-1993 гг. Анализ используемого в данной работе атмосферного форсинга БЯА-15 для различны
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.